エネルギー保存則エネルギーの総量は増えも減りもしない。大局的に見て、エネルギーが自然に流れる向きは一方通行である。熱力学という学問は、つまるところ上の2大法則を基に成立していると言って良い。この2大法則に「証明」は無い。幾多の実験と失敗から学んだ経験則である。経験則という一言で片づけると、熱力学は何とも脆弱な基盤の上に成り立っているかのような印象を与えるかもしれない。歴史に裏付けられた経験則はいかなる論証よりも重みがある筈だ。物理学が最後に拠り所とするのは経験の積み重ね、実験事実なのである。熱力学第一法則は、別名「エネルギー保存則」と言う。熱力学第二法則は、別名「エントロピー増大則」と呼ばれている。1つ目の「エネルギー」は馴染み深い概念だろう。それに比べて2つ目の「エントロピー」は知名度が低い、あるいは聞いたことがあっても正確な意味を知らないことが多いのではなかろうか。実際、「エントロピー」は学ぶ者にとって難しい概念と思う。それでいて物理の根幹を成す重要概念であり、奥が深い。本論の目的である「不確定分子モーター」の理解にもエントロピーは外せない。そこで、まずはエントロピーについて、できるだけ直感的に把握できるような説明を試みよう。エントロピーとは、言うなれば「エネルギーが自然に流れる向きを表す指標」※である。この世で起こるあらゆる物理的な変化にはエネルギーが関与している。エネルギーの流れる向きは本質的に一方通行である。あれば、エネルギーの流れから、あらゆる変化の進む方向を推し量ることができるだろう。この「変化の進む方向」を数値で表したものがエントロピーなのだ。エネルギーが流れる向きを知る、ということは、この世に起こるあらゆる変化の向きを予測できる、ということだ。これがいかに大きなインパクトを持つか、なぜ物理学の根幹と言われているか、お分かり頂けることと思う。エントロピーを理解するためには、エネルギーの流れがどのような「法則」に従うのか考えてみる必要がある。真っ先に思いつく事例は「水は高きから低きに流れる」であろう。水であれりんごであれ、あらゆる物体は、より低い、安定した状態に移行しようとする。いうことで、エネルギーの流れについて最初に思いつく法則は次のようなものであろう。「あらゆる物体は、位置エネルギーが低い状態に移行しようとする。この法則はおおむね間違ってはいないのだが、絶対の真実というわけでもない。位置エネルギーが低いからといって、月はすぐさま地球に落ちてはこないだろう。りんごが地上に落下するのに、月が落下しない理由は何だろうか。地面に激突するからだろうか。ここで、エネルギーは決してなくならない、という法則を思い出そう。地面に激突したりんごが再びもとの高さまで跳ね上がらないのは、りんごの持っていたエネルギーが衝突時に熱に変わったからだ。エネルギーが熱に変わらなければ、りんごは決して下に落ちたままでいることはない。月が地球に落ちてこないのは、月の持つエネルギーが摩擦などによって熱に変わるチャンスが無い(極めて少ない)からである。中途半端な高さにある人工衛星は大気との摩擦によって、やがて地上に落下してしまう。「物体は自然に落下する」という素朴な常識は「エネルギーは最後には熱に変わる」という法則に従っていたのである。身の回りのエネルギーを改めて見回すと、この法則はかなり的を得ていることに気付くだろう。自動車はガソリンを燃焼して走り、ブレーキを踏んで停止する。このときのエネルギーの流れは大雑把に言ってこうなる。ブレーキ(熱エネルギー)ほぼ全ての家電製品は、電気を最後には熱に変えている。広範囲に拡散、あるいは物質に吸収(熱エネルギー)家電の中で例外的なのは、冷蔵庫、クーラーといった冷やす機械だ。これらは電気エネルギーを使って、熱とは反対の、冷たい空間を作り出していると思われるかもしれない。冷蔵庫もクーラーも、冷却装置とは別の場所に放熱板があって、冷却する以上の熱を放熱板から放出している。冷却装置とはいわば「熱のポンプ」のようなもので、最終的には放熱が冷却を上回る。部屋の温度を下げようとして冷蔵庫の扉を開けっ放しにしたら、かえって部屋全体が暑くなってしまうのだ。(これは放熱板が冷蔵庫の裏、つまり部屋の中にある場合の話。放熱板を部屋の外に出したものがクーラーだ。)大抵のエネルギーの形態間には、相互に変換の手段がある。行きがあるならその逆の過程、帰りもある。いくつか例を挙げてみよう。転がっているボールがその勢いで坂を上がる位置エネルギーと運動エネルギーの変換を交互に行っているのが、いわゆる振り子である。発電機モーターと発電機は、原理的には同じものだ。試しにモーターを力づくで回してみると、電気を起こすことができる。電池の充電これが逆の過程だということは容易に分かるだろう。電気エネルギーマイクスピーカーとマイクも原理的には同じものだ。スピーカーをマイクに使用することは一応は可能である。(目的に合っていないのでかなりの無理はあるが。太陽電池これも逆の関係にある。(真っ先に思いつく電球は太陽電池の逆とは言い難い。電球に光を当てても発電できないのは、電球の場合、電気が一度熱に転じて光を発するからだ。)他にも例はたくさんあるだろう。これらを1つ1つ見てゆけば、どんな形態のエネルギーであっても上手く導けば他の形態に変換できるということがわかるだろう。