時間の謎

時間の謎を解明する-科学が捉えた時間の本質講師 吉田 伸夫

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第１部 「現在」は存在しない

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1. 時は一様に流れない

展望台での１周期
原子時計○ニュー トン力学 では、時間 は宇宙全域で一 様に流れ るとされる 。
○しかし 、精密な 原子時計で 測定す
ると、場 所によっ て原子振動 の周期が異なる 。スカイ ツリーで行 われた
実験では 、地上階 に比べて展 望台の時 計 が 、 １ 日 あ た り10 億 分 の ４ 秒だけ早く 進むこと が確かめら れた。
○振動周 期は重力 の強さに左 右されており、 どの地点 でも完全に 同じにはならな い。

展望台の時計は早く進む

地上階の時計は遅く進む

原子時計
地上階での１周期-3-

原子振動

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2. 重力の起源○相対性理論によると、時間と空間は、その 上に物理 現象が描か れるキャンバスの ようなも の。
○天体の ような巨 大な質量の 近傍で、このキャンバスはゴムのように伸縮し、時間 の尺度を 定める振動 周期が場所によっ て変化す る。
○天体の近くで振動周期が伸びるた
め、すべ ての物体 の運動が遅 くなる。
このため 、光も物 体も、天体 に近い側を内側として運動の向きが曲げられる。これ が重力の 作用である 。
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時間の進み方
速

遅遅く
天体速く

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なぜ脳の時間感覚は鈍いかNa+○神 経細胞の機 能は、ナ トリウム やカリ ウムイオン の移動に よって実 現され る。
○イ オンの能動 的な輸送 で濃度差 を作り 出した状態 でイオン チャネル が開く と、イオン の拡散に よって濃 度が変 化する。こ れが神経 興奮。
○イ オンは電子 に比べて 質量が何 千倍も 大きい。こ のため、 移動スピ ー
ドは 、化学反応 に比べて 遥かにゆ っくり 。
-5-+Na+K+
Na

細胞膜+Naナトリウムチャネル

Na+Na+Na+

カリウムチャネル+K+K+K+
Na

Na+Na++K

Na++K+
K+K+
K

動物は重力による運動を的確に捉えられるような時間感覚を獲得

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3. 時間はすべて固有の時○宇宙全 域で通用 する普遍的 な時間は存在しな い。時間 は、すべて の場所で別々に与 えられる 。

アリスの時間軸
ボブの時間軸○ある経 路に沿っ て移動する 原子時計を使えば、その経路に対する「固有時」が定 義できる 。
○人類が 生きる宇 宙はきわめ て一様性が高い。 銀河分布 が等方的に 見える地点で宇宙の標準時を“便宜的に”定義することは 可能。
アリスの空間軸-6-時間の謎

4. 拡がりとしての時間○時空は ゴムのよ うに伸び縮 みする実体であり 、あらゆ る物理現象 は、その上で生起 する。時 空を伸縮さ せる原因は、その 場所のエ ネルギーで ある。

空 間 の尺度を与え る○時間は 流れでは なく、空間 と同じよ
うな拡が り。時間 と空間は一 体となって「時空 」を構成 する。

○空間の ⻑さは原 子半径を、 時間の⻑さは原子 振動の周 期を基準と して測られる。時 空の伸縮 とは、こう した原子原子核サイズの 現象に対 して決まる 。

塩素原子ナトリウム 原子塩化 ナ トリ ウム の結 晶

電子の分布（模式図）

時間の尺度を与える
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5.「現在」は存在しない
時間 軸

まだ来ていない
未来○それだ けがリア ルな「現在 」は存在しな い。現在 が刻々と更 新されるという「時間の流れ」もない。

現在唯一のリアルな時刻
もう過ぎ去った
過去○人間も時間方向に拡がった存在。非時 間的な実 体である自 己が時間とともに変化するのではない。

古 典論 的な 時間-8-

す べて同等 な時 間 の拡が り○時間が 空間と同 じような拡 がりなのだから、過去も未来も同等で、両者 の境界は ない。

時間 軸

相 対論 的な 時間

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6. ウラシマ効果

アリ スにとっての時 間軸○相対論 によると 、時間と空 間の間隔 を定義する 際に符号 が逆になる ので、空 間で遠回り をした方 が時間間隔 は短くな る（図で言 えば、ボ ブの体験し た時間の 方がアリス より短い ）。
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ボブ○アリス とボブが 異なる経路 をたどっ て再会した 場合、そ れぞれが体 験する時 間間隔は経 路によっ て異なる。 これをウ ラシマ効果 という。

アリ ス

○時間は 一様に流 れるのでは なく、経 路に沿った 固有時と して定義さ れる。

ア リスにとっての 空間軸

ウ ラシ マ効 果時間の謎

第2部 時間に向きがある理由- 10 -

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1. エントロピーと時間

振 り 子運 動に おけ るエ ネル ギ ー再 分配○ 物理現象 の基礎過 程は時間 の向きを反転させても不変。時間に向きがあるのは 、統計的 な現象が 一方向的 なため。
○ エネルギ ー分布に 不自然な 偏りがあると き、多数 の要素が ランダム にエネルギ
ーをやりとりすると、偏りが均される（ エントロ ピー増大 の法則） 。
○ 【偏りを 均す統計 現象の例 】すべての目 を１にし た多数の サイコロ を揺さぶって い る と 、 し だ い に 目 の 平 均 値 が3.5 に近 づく。
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時 間が 経 つと …
熱おもり

サ イコ ロ の統 計的 振る 舞い

ランダムに変化

目の平均値≒3.5

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エネルギーと温度○完 全に偏り が均され ると、多 数の要素に分 配された エネルギ ーはボル ツマン分布に なる。

低温

ボルツマン分布高温○平 均エネル ギーの大 小によっ て分布に差が 生じる。 この差を 表す指標 が温度。

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低温○高 温と低温 の物体を 接触させ ると、高エネ ルギーを 持つ分子 が高温側 に偏っている ので、偏 りをなく すように 熱が流れる（ エントロ ピー増大 の例）。

高温

○ボ ルツマン 分布では 、高温に なるほど
高エ ネルギー 分子の割 合が多い 。

高エネルギー分子の割合が多い

熱エネルギーの流れ時間の謎

2. 宇宙のエネルギー分布
時空内部での回転

ビッ グバ ン直 後

○現 在のエネ ルギー分 布は、極端 なまで に偏って いる。
・宇 宙空間の 大部分が 極低温（ 絶対温度 ３度）
・ご くわずか に恒星が 点在（ 表面温度 数千〜数 万度）○原 因は、ビ ッグバン 直後のエネ ルギー 分布が均 一だった ため。
○空 間が膨張 してエネ ルギー密度 が低下 、ごく一 部のエネ ルギーが物 質粒子 内部に残 される。 この物質が 万有引 力で凝集 、核融合 により恒星 となる 。
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ほぼ均一 な状態

空間 膨張

ビッグ バンのエネルギー が物質粒 子の内部に残る物質粒子が飛び回 る

空 間 膨張内 部のエネルギー が重⼒を生み出 し物 質粒子が凝集

ビ ッグ バン から 数 千万 年
天体の形成

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2. 光の奔流が生む熱の逆流
3.
時空内部での回転

水は高い所から低い所へと流れる○通 常、熱は 高温側か ら低温側へ と流れる 。しかし 、冷房機 のようなヒ ート
ポン プがある と、外部 から供給さ れたエネ ルギーを 利用して 、低温側か ら高温側 へと熱を 運ぶこと が可能に。

飛沫しかし、滝のような大量の水の流れの途中に岩棚があると、跳ね返った飛沫が上昇することもある
大半の水は落下する一方だし、飛沫はいずれ落下するので、物理法則は破られていない○自 然界では 、大量の 熱の流れに 随伴して 、熱の逆 流が起き る場合があ る。
この とき、ヒ ートポン プの役割を 果た
すの が、液体 中の分子 である。
○恒 星からの 光は、低 温環境には 稀な高エ ネルギー 光量子を 多く含むた め、通常 は生じな い光化学 反応によっ て局所的 にエント ロピーを 減少させる 。
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高温の恒星

低温の海
高温の恒星から低温の海に光が降り注ぐケース
は、岩棚のある滝と似ている

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2. 精密機械としての分子4.
時空内部での回転
エネ ルギー

生合 成
筋 収縮

多糖類・タンパク質
ATP
ADP

生合成○光量 子のエネ ルギーを 吸収した分子は 、構造変 化や他分 子との結合を通 じて、エ ネルギー を内部に蓄える 。

活動電位

ATP

能動輸送
ADP光合成光代謝○高エ ネルギー 分子は、 低温の水中では 不自然な エネルギ ーが偏っている ので、他 にエネル ギーを与える反 応を引き 起こす。

グルコース

分解生 成物

初期反応物○生体内で特に利用されるのがATP で 、ADP に 変 化 す る の に 伴 って生合 成や筋収 縮を実現 する。記憶 の 定 着 に も 、ATP の エ ネ ル ギ ーが利用 される。

生体内でのエネルギー変換- 15 -

生物発 光
体温

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2. 非対称性の起源
5.
時空内部での回転○時間 の非対称性 は、エネ ルギー分
布の一 様性が高い ビッグバ ンが時間軸の端 にあり、そ こから空 間が膨張すると いう時空構 造に起因 。
○人間 の記憶は、 時間軸に おいてビッグバ ンに近い側 で形成さ れ、遠い側で崩 壊する。時 間が流れ ているよ
うに感 じるのは、 こうした 記憶の構造に由 来する。

一様な高エネルギー状態
空間の膨張による密度の低下と揺らぎの成⻑
銀河の形成

時 間軸

○宇宙 の歴史は、 ビッグバ ンを「時間の端 」とする時 空に形成 された連続体で ある。

時間の端（ビッグバン）

惑星系と海の誕生

分子進化と生命の発生

誕生

時間方向に広がった人間
死- 16 -

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2. 今日の講義について
時空内部での回転◇物 理学で扱 う時間に ついて、 もう少し詳 しく知り たい人は 、私が著 した次 の本を参 考にして ください 。
『時間は どこから 来て、な ぜ流れるの か？』 （講談社ブルーバックス）◇宇 宙の歴史 に関して は、次の 本に書いて おきまし た。
『宇宙に 「終わり 」はある のか』 （講談社ブルーバックス）◇次 のサイト に私のホ ームペー ジがありま す。科学 と技術の いろいろ なトピ ックを取 り上げて います。
http://www 005.upp .so-net .ne .jp/yoshida_n/ （近々移転する予定）◇ブ ログもあ ります。 内容はホ ームページ から転載 したもの ですが、 コ
メン ト機能を 利用して 、質問も 受け付けて います。
https://sci-tech.blog.ss-blog.jp/- 17 -