・マクスウェルの悪魔について
 
 熱力学第二法則の主張は、何もしない状態ではエントロピーは増大し、それを戻すには（物理学にいう）仕事が必要であるとのことであった。熱いものと冷たいものを接するように置きしばらくすると熱平衡の状態になるのはそういったことである。
 
 これの妥当性を検討する思考実験に、マクスウェルの悪魔がある。気体の入った小箱2つ（それぞれAとBと呼ぶ）を想定しよう。この小箱は開閉できる小窓がついており、開いているときは互いの小箱と気体分子のやりとりができる。加えて、ここに小さな悪魔という存在も想定する。この悪魔は、小箱の気体分子の観察をすることができ、また小窓の開閉もできるという能力をもつ。なお、小箱の系外との熱のやりとりを認める場合は以下の議論は成り立たない。
 
 気体には、気体分子がさまざまな速度で混在していて、温度はその平均運動エネルギーに対応する。ここに悪魔は、小窓をこまめに操作し、Aの中の速い分子が来たときに、そしてBの中の遅い分子が来たときにのみ小窓を開け、AとBの間で気体分子を融通することができる。悪魔が勤勉に働き続けたならば、Aには遅い分子ばかり、Bには速い分子ばかりが集まることになる（悪魔が怠け者で何の操作もしないなら2つの箱は熱平衡に至るか一切温度変化がないかである）。つまり箱の気体の間に温度差が生じ、BはAより気体の温度が高くなり、当然ながら熱平衡の状態にはない。そしてエントロピーは減少しているように見える。これは熱力学第二法則に反しないだろうか。「何の仕事もないのにエントロピーが減少している」ように見えるのだ。これはおかしいのではないか。
 
 言ってしまうと、この疑問はある要素を無視しているからこそのものである。それは悪魔による取捨選択、すなわち悪魔が分子を観察し、それを速いまたは遅いと判断する際のコストについてである。この観察をエネルギーなしで行えるということを暗黙に仮定してしまっている。その要素を考慮するのであれば、疑問の余地はなくなるはずである。

カテゴリ: 物理
質問: 小箱の系外との熱のやりとりはないものとし、「ある要素」を考慮し、悪魔が怠け者であるなら、2つの箱はどのようになり、また「この疑問」の余地の有無はどうなりますか？
回答: 小箱の系外との熱のやりとりはないものとし、「ある要素」を考慮し、悪魔が怠け者であるなら、2つの箱は熱平衡に至るか一切温度変化がないかとなり、また「この疑問」の余地はありません。