地球の誕生とエントロピーについて

Question

地球に限らず恒星や惑星は宇宙空間に漂っていたちりが
集まってできたという話がありますよね。
これは無秩序から秩序になったということで
エントロピー増大の法則に反してるんじゃないの？と
文系の友達に聞かれ、生半可な知識しかなかった僕は
答えに困ってしまいました。

どなたかわかりやすく説明していただけないでしょうか。

stomachman · Accepted Answer

お、お、運命が動いた....DESTINYさん援護射撃ありがとうございます。Stomachmanです。

もう少し、表現をかえてみよう。

（１）冷たい空間を１個の砂粒が舞っている。砂粒は冷たい。つまり砂粒の中の分子同士の速度差はとても小さい。砂粒全体の運動もたいしたことはない。

この砂粒が重力に引かれて集まって、熱くなり、砂粒が蒸発してガスになったとします。（溶けて流れた、というのでもよい。）

（２）もとの砂粒に含まれていた分子は、今や猛烈な勢いで走り回っている。分子同士の速度差はとても大きい。もとの砂粒に入っていた分子を集めようと思ったら、ガス塊全体の分子を隈無く調べる必要があるほど無秩序になってる。

ミクロで見ると明らかに無秩序さが増していることが分かります。

（１）は「砂粒が沢山勝手に動いている。というマクロな無秩序さ」＋「砂粒の分子がばらばらにならない、というミクロな秩序」がある。

（２）は「全体として塊になってる。というマクロな秩序」＋「砂粒が蒸発し、分子が飛び回っている、というミクロな無秩序」。

これでどうだす？

noname#8544 · Answer

あれって「最終的にエントロピーは増大の方向に向かう」ということじゃなかったですかね。
だから、一時的なものはいいんじゃないですか？

それを言い出したら、生命の誕生や文明の形成などもってのほかですし。

popesyu · Answer

エントロピーの増大とは、長い目でみたら暖めたお湯が冷めていく、部屋は掃除しなかったらどんどん汚れていくというようなことであって、そのスパンを短くあるいは狭い範囲でみたら、水の一部が温まっていたり、部屋の一部がたまたまキレイになることもあるでしょう。

sanekazura · Answer

無秩序状態、というのは必ずしも正しくはないと思います。

宇宙初期にだって、物理法則という秩序が存在し、
物質間の相互作用だってあったのですから。

たとえば地球に大気が存在するのだって、エントロピー
が増大するということしか考えなければおかしいことです。
エントロピー増大⇒大気が宇宙空間に広がっていく

ですが、地球にはそれにまさる重力があったから
空気は引き止められています。

　たぶんこんなところでしょうか？

Astroia · Answer

（長文です）
うまい説明の仕方が思い浮かばないので、稚拙ですが回答いたします。

まず、宇宙空間で、そこに物質が複数存在すると万有引力によってお互いに引き合うということを考えます（ちなみに特に宇宙空間と限定するわけではございません。話を簡単にするためです）。またこの万有引力についてはその正当性が認められてることを前提とします。やがて時間とともに物質はより密度の濃い個所に集まっていくわけですが、このとき、まさにエントロピーは増大しているのです。かなり逆説的な考え方ですが、時間の方向とエントロピーを考えたとき、何もしないで集まっていくという時間の方向と同じように、エントロピーも増加するのです（ここのところがなんとも説明し難いのですが）。

このとき「何もしないで」ということはすなわち「閉じた系で」と考えることができます。
エントロピーの流れが逆行するということは、何か他の力が加わっていると考えます。
ですから、
「エントロピーの増大というのは直線的ではなくて 
細かく秩序⇔無秩序を振動しながら大局的に 
無秩序のほうに向かっていくという考えでいいのですね。」
というわけではありません。
あくまでも、その系が閉じた状態では常にエントロピーは増大しています。
厳密に申しますと、到底ありえない確率ではエントロピーは減少し得ますが、無視していいくらいの確率ですのでここでは考えないことにします。

まとめますと、エントロピーとは簡単に言えば無秩序に向かう流れであり、それは普通我々が時間の流れと認識しているものと等しいということです。

私は専門家ではないので、言葉足らずな点、間違っている点などあると思います。その際は専門家の方の回答を期待します。

stomachman · Answer

空間的に見ると、広がっていたモノが集まるのにエントロピーが増えるのは変に思えますが....
集まって来ると、これまで一定の速度で飛んでいた粒子が衝突して、その速度が平均化されます。すなわち、粒子全体の温度分布が変化するプロセスがエントロピーを増大させています。
はじめ部屋の中でやかんだけが熱かったのが、この熱が冷めて室温全体に平均化されるとエントロピーが増える、というのと同じですね。

laura2 · Answer

エントロピーが拡大に向かうことだけが自然の流れではありません。というのが根本的な説明になるでしょうか。例を挙げて説明してみましょう。あまりに突飛かもしれませんが、男女の結びつきを考えてみます。エントロピー的には、「乱交」こそが拡大に繋がるものでしょうが、「乱交」よりも特定の人物と一緒になった方が、「安らか」になり得ます。たまの浮気は別にして。熱力学的には
G=H-TSと示され、Gが小さくなる方に物事は進展すると言われています。エントロピーはSです。エントロピーＳが大きくなれば、Tは常に正ですからGは小さくなる方向です。しかし、その際、Hが大きくなってしまえば、うち消されてしまいます。Hはエンタルピーとよばれ、やさしく言えば、親和性といえます。無理な「ｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ」はHを増大させ、エントロピーの増大効果をうち消します。
万有引力が働いている中で、集まればHは減少し、Gが減少する方向となりますが、S的には減少し、Gが増大する方向となります。このバランスで成り立っているのであって、Sが増大する傾向のみが自然の流れとはいえません。
別な例で言えば、化学反応で、２分子が反応して１分子になる反応などは、エントロピーだけでは説明できません。エントロピー的には減少する方向であっても、エンタルピー的な「利徳」があれば、それは自然の流れとなります。

Astroia · Answer

再度自身なしの登場で恐縮ですが…
以前の回答の補足及び訂正を行います。

「閉じた系（孤立系）におけるエントロピーは平均すると増大の方向に向かう」

ここでいう孤立系は、外部とエネルギーや物質のやり取りが無いシステムのことです。

参考文献
と学会著「トンデモ超常現象９９の真相」
宝島社文庫　２０００年

DESTINY · Answer

stomachmanさんの答えが正しいです。
もう少し付け加えると「エントロピー増大の法則」とは系の「エネルギーの無秩序性」が増大することを説明するものであって、「物のあり方に秩序があるように見える」かどうかとは全く関係ありません。
エントロピーについてはこのサイトで何度も説明が出てくるので省略します。
地球ができる前の状態を考えて見ましょう。将来、地球ができる物質が漂っている空間、ここには現在の地球と総体として同じ質量の物質があることになります。ということはこの空間では中心方向に重力が働いているわけで、色々な物質は重力に抗して自由に動くことのできる高いエネルギー状態にあったということです。自由に動いていた物質は次第に集まり、高い運動エネルギーと位置エネルギーを熱に変え、溶けた地球ができました。
この過程で確実にエントロピーは増大しているのです。現在の地球は、よほど大規模な火山噴火でもあれば別ですが、宇宙空間に飛び出すほどに物質を加速することはできません。

Astroia · Answer

皆様の回答を拝見すると、どうも私はエントロピーについて誤解しているみたいです。
ここで疑問を提示するのは質問者の方に失礼に当たると思われますので、物理学のカテゴリで新たに質問者として伺いたいと思います。

kazamさん失礼致しました。

地球の誕生とエントロピーについて

あれって「最終的にエントロピーは増大の方向に向かう」ということじゃなかったですかね。

無秩序状態、というのは必ずしも正しくはないと思います。

この回答への補足

（長文です）

空間的に見ると、広がっていたモノが集まるのにエントロピーが増えるのは変に思えますが....

エントロピーが拡大に向かうことだけが自然の流れではありません。

再度自身なしの登場で恐縮ですが…

stomachmanさんの答えが正しいです。

お、お、運命が動いた....DESTINYさん援護射撃ありがとうございます。

皆様の回答を拝見すると、どうも私はエントロピーについて誤解しているみたいです。

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