エントロピー減少の物理学的説明は？

質問

生物を構成している物質系では、エントロピーが減少していると思うのですが、本来、物質界ではエントロピーは増大するはずなのに、生物系においてはエントロピーが減少するという奇妙な減少を、「物理学」では、どのように説明しているのでしょうか？

単に、確率的に非常に起こりがたいことが起こっているのだという説明だけでしょうか？　それとも、何らかの積極的な理由の説明があるのでしょうか？

回答No.7

PAM123 · ベストアンサー

他の方の回答を全部十分読みきれてないので重複がありましたらご容赦を。

まず、確認しておきたいのは、
物理学で言っている「エントロピー増大の法則」というのは外部とエネルギーや熱物質のやり取りをしない系（こういう系を孤立系という）でのみ成立する話です。

外部と熱や物質のやり取りをしているような系（開放系といいます）においてもエントロピーが増大するとは、物理学では言っていません。

つまり、生物を構成している物質系は外界と熱やエネルギーのやり取り、
食物として物質をやりとりをしているので、孤立系ではありません。エントロピーが増大するのは孤立系ですので、孤立系でない生物を構成している物質系でエントロピーが減少しても物理学で言っていることとなんの矛盾もありません。

つぎに、生物などの系でエントロピーが増大せずにむしろ、秩序状態を
保っていることについての説明の、一例です。
外界から一定のエネルギーが与えられつづけているような系（たとえば地球上で太陽からエネルギーが一定してとどくような）においては、エントロピー増大の法則の代わりに、エントロピー生成が最小化されるという法則が
成立することが、熱力学にて導出されます。詳細は非平衡系の熱力学の
教科書などを参照願いますが、
これが生物が秩序構造を保ちながら生きていることの、荒っぽいですが
エントロピーという観点で見た場合の一つの説明になると思います。

お礼

ご回答ありがとうございました。

孤立系かどうかは、系の範囲をどこに設定するかによると思いますが、太陽系の外側当たりに系の範囲を設定したら、その範囲では孤立系というわけにはいかないのでしょうか？

回答No.10

PAM123

>孤立系かどうかは、系の範囲をどこに設定するかによると思いますが、太陽
>系の外側当たりに系の範囲を設定したら、その範囲では孤立系というわけに
>はいかないのでしょうか？

太陽系の外側であれば孤立系かどうかはともかく、系の範囲を広げて孤立系
になるようにはできると思います。
仮にそれが太陽系を含む系であり、太陽から地球に定常的なエネルギーが流入するために、生物系でエントロピーの増大が抑制あるいは減少などしていても、それ以上に太陽のエントロピーが増大するので、系全体（孤立系全体）ではエントロピーが増大するということになります。

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.9

noname#60992

No1です。　何の回答にもなっていませんが、　
エントロピーの法則とブラックホールの存在を考えるとなんやら矛盾が
あったような気がします。　ホーキング博士が仮説を出したけど自説が
間違っていたと後から訂正したりして、ニュースになっていました。
エントロピーの法則を宇宙全体で考えることは、とても難しいようです。

お礼

＞ホーキング博士が仮説を出したけど自説が間違っていたと後から訂正したりして、ニュースになっていました。

おもしろそうな話ですね。
ご回答ありがとうございました。

回答No.8

masudaya

他の方も回答していますが.．
外から,エネルギーをもらえば,エントロピーは減少させることが可能です.例えば,前にも例を出しましたが,エアコンがあります.室内と室外の温度は差がなくなったほうがエントロピーが高いので,ほうっておくと室内と室外の温度差はなくなる方向に変化します.しかし電気などのエネルギーを用いると,室内の内部エネルギーを汲み取って室外に排出することが出来ます.これによってエントロピーは減少します.他の方もおっしゃているように,エントロピー増大の法則は孤立系つまり外と仕事や熱などのエネルギーの出入りが無い状態,で成立するので,エネルギーをもらってエントロピーが減少するのはとくに法則に反していません.

お礼

ご説明を読んで、「生命とは何か」に出てくる、「負のエントロピーを与える最大の供給源を太陽に求めます」の意味がわかりました。ありがとうございました。

太陽系を孤立系と考えれば、生命の絶滅は物理法則の必然ということになるのでしょうか。あるいは、何もない真空から、物質と反物質が生成できると聞いたことがあるので、どこかで、突如、新しい太陽が生まれるかもしれないということでしょうか。

回答No.6

futoshi123

kobareroさんが参考とされたエルヴィン・シュレディンガー『生命とは何か』にも書いてあると思いますが、生物は孤立系ではありません。ですので、ある生物のみを見た場合、エントロピーは減少しているように見えますが、孤立系ではないので、エントロピー増大の法則には反していません。

お礼

『生命とは何か』の説明がよくわからなかったのですが、孤立系か開放系かは、系の境界をどこに引くかで決まるように思うのですが、例えば、全宇宙は孤立系と考えて良いのでしょうか？　

もし、そうだとすると、全宇宙ではエントロピーが常に増大するはずだから、局所的なエントロピーの減少は、あくまで、一時的な異常現象であり、やがて、生命が滅ぶことは物理的必然ということになるのでしょうか？

回答No.5

masudaya

詳しくはありませんが,この現象を
（規則正しく,分解したアミノ酸からたんぱく質を合成したり,分裂する細胞を生成したり,DNAを複写したり...情報論的なものも含むとエントロピーの減少は生物的には結構あると思います.）
シュレディンガー(シュレディンガー方程式の)
は,生物が「負のエントロピー：ネゲントロピー」を食べているからだ.と称しています.

物理的にも,きちんとエネルギーを消費すれば,
エントロピーの減少は可能です.これは,電気を使って
エアコンで部屋を冷やすことと同じです.生物も摂取したエネルギーを用いて,エントロピーを減らしているのだと思います.

お礼

ご回答ありがとうございます。

全く、おっしゃるとおりだと思うのですが、エントロピー増大の法則に反する現象が存在していることを物理学ではどのように説明しているのか、あるいは、説明していないのか、興味があります。

回答No.4

kenojisan

熱力学も生物学も専門外なので素人回答になりますが。
どういう現象を指して、エントロピーが減少しているように思えると考えておられるのでしょうか？
例えば、自然のままだと木の実は一様に散らばっていくべきなのに、虫たちの活動によって特定の場所に集まっていく、これはエントロピーが減少している、とか言う話しでしょうか？
この場合の、エントロピーは木の実を１粒子のように見立てて、虫は構造を持たない物理的な力のように表現した文学的表現に過ぎません。
実際には、木の実を集める虫の動力は、虫の体内での化学的な反応から得られています。その化学反応は全てエントロピー増大の法則に従っていますから、関係する全系を計算すれば、必ずエントロピーは増大しています。
生物の行動エネルギーは、全て単なる化学反応から得られるものですから、決してエントロピー増大の法則に反することは生じていないはずです。

補足

ご回答ありがとうございました。

＞どういう現象を指して、エントロピーが減少しているように思えると考えておられるのでしょうか？

ちょっと乱暴な言い方をすると、生命が働かない系では、分子は拡散して秩序を保てない、構造も構築できない。これが、エンロトピー増大だと思いますが、生命が働くと、たんぱく質、炭水化物、脂肪、ビタミンなど諸々の分子が一定の秩序を持って集積し、構造を構築維持します。これが、エントロピー減少だと思います。このような現象は生命がなければ起こりえないと思います。このようなエントロピー減少を現象を物理学的にはどう説明するのか興味があります。以下の本などが参考になると思います。

http://www.isis.ne.jp/mnn/senya/senya1043.html

回答No.3

noname#58790

エセ物理学では、どのように説明しているのでしょうか？
＞奇妙な減少
私には、質問自体が奇妙に感じますが。＾＾

湯のみは、落とすと割れます。
これを悟りと言います。

悟りましたか？

そう！
割れた物は元には戻らねー！

灯油を燃やすと、減ります。
一度使っちまったら「終わり」です。
間違っても「増えません。」

一度食べちゃった物は、泣かれても元には戻せません。＾＾；
「その系」で、「その時間系」では、早い者勝ちの悪魔の法則です。
（但し、食い物の恨みは恐ろしく、後はどーなっても知りません。）

「自然の摂理」は理解出来たでしょうか？

結論。

エントロピーの法則。
仕事を全て熱に変える事は出来る。
しかし、熱を全て仕事にする事は出来ない。

この説明は理解出来たでしょうか？

灯油は熱に変えられますが、熱から灯油は作れません。

食い物からエネルギーは得られます。
細胞を食っても、細胞は補充できません。
つまり、骨折した時、骨を食っても無駄なのです。

食う→息を吸う→燃焼（灯油）→消費（減る）
です。

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.2

futoshi123

孤立系のエントロピーが増大するというのがエントロピー増大の法則です。生物の場合は、食べ物を食べたり、太陽の光を受けることにより、エントロピーを減少させています。その分、食べ物や太陽のエントロピーは増大しています。

お礼

ご回答ありがとうございました。

おっしゃるとおりだと思いますが、そのような現象を物理学としてはどのように説明するのでしょうか？　少なくとも、生物がいなければ、エントロピーが減少する領域はないように思うのですが、生物がいることにより物理的条件が何故変わるのか、その説明を物理学からすることはできないのでしょうか？

回答No.1

noname#60992

外部から力が加えられる場合は、エントロピーが減少しても
何もおかしくないのではないでしょうか？
例えば植物が光合成を行うためには光エネルギーが必要ですし、
人間が運動エネルギーを生み出すためには食事が必要です。
言ってしまえば、コップに入っている生ぬるい水を
氷水に変えるのも、家の中に電気が供給されている
冷蔵庫があれば可能なわけです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

現にエントロピーは減少しているわけですから、おかしいことはないと思いますが、その減少を物理学的にどう説明するのかを知りたいと思いました。