• Paul Sen, 2021: Einstein’s Fridge: How the Difference Between Hot and Cold Explains the Universe. Scribner.
• ポール・セン 著, 水谷 淳 訳, 2021: 宇宙を解く唯一の科学 熱力学。河出書房新社, 341+39 pp. ISBN 978-4-309-25248-9.

日本語版は2021年6月の新刊。四六判縦書きのペーパーバック。英語版も2021年になってから出た本だ。わたしは英語版の新刊情報をどこかで見て、アインシュタインが冷蔵庫の発明にかかわっていた話は初耳で興味深い逸話だと思ったが、本を買って読むほどの関心がわかなかった。日本語版の題名は、熱力学に対するひいきのひきたおしのような気もするが、ともかく、本書が熱力学という大きな主題についての読みものであることがわかった。学生にすすめられるかどうか考えたいので買って読んだ。(結果としては、多様な読書のひとつとしてはすすめられるが、授業の参考書にはならない。)

学者たちの列伝の形で書かれている。第1部・第2部は、熱力学の主要な考えかたをつたえる内容でもある。学者たちのしごとは、だれがだれの著作物を読んでいた、とか、だれとだれのしごとは同時並行だった、というふうに関連づけられている。第3部は、熱力学の原理からさまざまな方面への発展を、理屈の体系にこだわらずに紹介している。わたしからみると、とくに第1部・第2部が、わたしにとってあたらしい事実もあり、熱力学のなりたちを順を追って理解する参考になった。ただし、本書は、科学史的正しさを追求した論考ではないし、自然科学としての熱力学の教材にもむかない。

最初の重要人物は Carnot (第2章)だ。だがその背景説明からはじまる。第1章の話題は、イギリスで蒸気機関をつかって産業がさかえたこと、それを視察したフランスが国の事業として工学につながる科学教育の体制をととのえはじめたことだ。

第3章。イギリスの Joule は、発電機をつかう実験をすることができた。どれだけの電気で水の温度をどれだけあげることができるか測定することができた。さらに、おもりがおりることによって水をかきまぜて水の温度をはかる実験をし、どれだけの仕事がどれだけの熱と同じはたらきをするかをしめした。それを William Thomson (のちの Lord Kelvin) が聞いて重要性をみとめた。

第4章。Thomson は実験をまなぶためフランスに留学した際に Carnot の著作に出あい、その重要性もみとめていた。Carnot の理論は熱素の保存を前提としていて、Joule の仕事が熱にかわるという説とつじつまをあわせるのはむずかしかった。

第5章。医学をまなんだ Helmholtz は、生物をつかった実験をふくむ複数の根拠をむすびあわせて、「力 (Kraft) の 保存」という学説をとなえた。いまのことばでいえばエネルギーの保存である。

第6章。Clausius は、Magnus教授からHelmholtzの論文を解説することをもとめられたのをきっかけに、Carnot の理論をエネルギーの保存とあうように修正した。高温側からあたえられた熱の一部分は仕事になり、残りが熱として低温側に出てくるのだ。Clausius の論文は (いまのことばでいう) 熱力学の第二法則を定式化した。Thomson はそれを読み、同じ法則を別のかたちで定式化した。そして Thomson は、宇宙は「熱的死」にむかっていると認識した。

第7章。Thomsonは熱力学的温度を定式化した。Clausius はエントロピーという量を導入し、熱力学の第二法則はエントロピー増大であるとのべた。【ここで、Thomson の宇宙の年齢についての議論が出てきて、著者はThomson がまちがっていたのは放射性核種の存在を知らなかったからだという説にしたがっている。これについては別の議論もあり、[別ブログ 2014-10-19 地球の年齢に関するKelvinの議論はどのようにまちがっていたのか?] で紹介した。】

第8章。Clausiusは熱の根拠を熱素ではなく粒子(分子)の運動にもとめた。その論はDaniel Bernoulli が1783年に出した流体力学の本の「弾性流体」の章にある議論から発展したものだった。

第9章。Maxwell が、分子運動の速度の確率分布を考える理論をつくった。またその理論を検証する実験をおこなった。

第10章。Boltzmann が、Maxwellの理論を採用し、分子運動論によって熱力学の第二法則を説明した。ただしそこには、場合の数が多い状態が実現しているだろうという仮定がある。他方、アメリカの Gibbs は気体・液体・固体の相変化を表現できる化学熱力学の体系をつくった。(本書で話題となっている Gibbs の業績は、複数の熱力学的変数を軸にとった「状態図」、Gibbsの自由エネルギー (ここまで10章)、そして熱力学第1・第2法則を基礎として化学プロセスを記述したこと(第11章)である。統計力学への貢献にはふれていない。) 熱機関を応用した冷蔵庫がつくられるようになった。とくに、Linde は状態図をつかって技術を改良した。Lindeは冷媒としてアンモニアをつかっていた。

第11-12章。熱などの現象の基礎として、分子論と、現象主義あるいはエネルギー論とのあいだの論争があった。分子論に立っていた Boltzmann は苦しみ、おそらく自殺で亡くなった。なお、熱的に一様でない (エントロピーが低い) 宇宙はどのようにしてできたのかは、いまでも難問だ。Boltzmann は、これは大きく見れば平衡状態のうちのゆらぎなのだと考えた。

第13章。Planck は、熱による電磁波の放射を説明するために、量子論を考えた。PlanckはBoltzmannによる熱の分子論的説明には批判的だったのだが、けっきょくその考えをとりいれたのだ (と、本書の著者はみる)。

第14-15章。Einstein。第14章では1905年に論文が出た、光量子、ブラウン運動、特殊相対性理論の3つの話題を列挙しているので話題がわかりにくいが、重点はこのブラウン運動の理論が Perin の実験につながって原子の存在をみとめる人がふえたという話だ。Einstein はその後も Bose-Einsterin 統計など、量子論にも貢献しているが、量子論への批判者とされることもある。本書の議論をわたしが理解したかぎりでは、Einstein は確率的・統計的方法をつかったのだが、その奥に確率的・統計的ではない実体があるという信念をもっていたので、ものごとはもとより確率的だとする量子論者と対立したのだ。またドイツにいたころの Einstein は実用的発明にとりくんだ。とくに、 Szilard とともに、有毒な冷媒をつかわない冷蔵庫をつくろうとし、あたらしい原理の圧縮機を発明して特許をとった。しかし、従来型の圧縮機とともにつかえるクロロフルオロカーボン [本書 219ページの「ハイドロフルオロカーボン」はこれのとりちがえだと思う] が開発されたので、Einstein 式の冷蔵庫が普及することはなかった。

第16章。Shannonが情報量の理論をつくった。その「情報エントロピー」の数学的定式化は、Boltzmann による熱力学的エントロピーと同じだった。

第17章。「Maxwellの悪魔」(この表現は Thomson による)。これは、「1ビットの情報にかかる熱力学的最小コストはどれだけか」という現代の問題につながっている。

第18章。Shannonのところでちょっと出てきた Turing の話だが、情報論の話のつづきではなく、自発的パターン形成の話。

第19章。Einsteinの一般相対論にもとづいて、Schwarzschild がブラックホールの存在を示した。ブラックホールのある宇宙では熱力学第2法則がなりたたないのではないと思われた。Beckenstein が 1972年に「事象の地平線の面積がふえる」ことがエントロピー増大と同じことだとし、はじめはそれに否定的だった Hawking がそれをうらづける「Hawking 放射」の理論をつくった。

エピローグで、著者は Tyndall による 水蒸気や二酸化炭素が赤外線を吸収することをしめした室内実験をもちだし、地球環境問題につなげている。わたしからみると、地球温暖化のしくみはたしかに熱力学と関係があるのだが、その説明は単純ではなく、本書エピローグもそこは連想で言いくるめているだけだと思う。しかし、地球温暖化の対策の主要部分は動力源をどうするかだから熱力学は正面でかかわっており、著者がそれを強調するのはもっともだ。

本書にとりあげられている学者のほとんどは男だが、著者は、自発的なのか、いまどきのイギリスではそうしないと売れないからかは知らないが、女の人も科学にかかわっていたことを意識してとりあげようとしているようだ。第15章に Emmy Noether が出てくる (熱力学からみて重要なその業績は、エネルギー保存を「対称性」の一種として位置づけたことだ)。女性で Noether のように大学に地位を得ることができた人はすくなかった。学者の妻たちのうちには、科学をまなんだことがあり、おそらく夫の議論のあいてとして貢献した人もいた。とくに Maxwell は大学教員でありながら実験を自宅でやっていた時期があり(まだ大学の実験室が確立していない時代だったのだ)、妻の Katherine が実験に貢献している。いまならば共著者とすべきかかわりかただろう。なお、Turing のところでは、同性愛が 1952年当時 犯罪とされたこともとりあげている。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
目次
プロローグ
第1部 エネルギーとエントロピーの発見
第1章 イギリス旅行 — 蒸気機関からすべては始まった
第2章 火の発動力 — カルノー、熱力学を拓く
第3章 創造主の命令 — ジュールの歴史的実験
第4章 クライドの谷 — トムソンの苦闘
第2部 古典熱力学
第5章 物理学の最重要問題 — ヘルムホルツと熱力学の謎
第6章 熱の流れと時間の終わり — クラウジウスと熱力学の第一法則・第二法則
第7章 エントロピー — すべてを支配する法則
第8章 熱は運動である — 気体分子から地球大気まで
第9章 衝突 — マクスウェル、熱の正体に挑む
第10章 何通りあるか — エントロピーは増大する
第11章 恐ろしい雨雲 — ボルツマンの公式、ギブズの法則
第12章 ボルツマンの脳 — 宇宙の時間の矢
第3部 熱力学のさまざまな帰結
第13章 量子 — プランクの変心
第14章 砂糖と花粉 — アインシュタイン、熱力学に魅了される
第15章 対称性 — ネーターの定理、アインシュタインの冷蔵庫
第16章 情報は物理的である — シャノンと情報エントロピー
第17章 悪魔 — マクスウェルとシラードの思考実験
第18章 生命の数学 — チューリングと自然界の形
第19章 事象の地平面 — ベッケンシュタインとホーキングのブラックホール理論
エピローグ
謝辞
付録1 カルノーサイクル
付録2 クラウジウスはどのようにしてエネルギー保存則とカルノーの説を折り合わせたのか
付録3 熱力学の4つの法則
訳者あとがき
参考文献
注
索引