エネルギーとエントロピー

落としたスマホの行方

高さ1.5メートルから落としたスマホは、0.55秒後には秒速5.4メートルで地面に当たり、画面が割れます。

当たった瞬間、その速さはどこへ消えたのでしょう。実は、消えていません。

持っている分と、動いている分

手に持っていたスマホは、高さの分だけ「いつでも落ちられる」たくわえを持っていました。これが位置エネルギーです。

落ちている最中は、速さの分を持っています。こちらが運動エネルギー。

落下中に起きていること

問題：スマホが落ちている最中、2つのエネルギーはどうなっていますか？

1. 高さの分が減り、速さの分が増えている（正解）
2. 高さの分も速さの分も、そろって増えている
3. 高さの分は変わらず、速さの分だけが増えている

解説：落ちるほど高さは減り、そのぶん速さが増えます。

作れないし、消せない

高さの分が減ったぶん速さが増え、2つの合計は落ちている間ずっと同じです。

エネルギーは作れず、消せず、形を変えるだけ。これがエネルギー保存則です。

○か✕か

○か✕か：地面に当たってスマホが止まった瞬間、そのエネルギーは消えてなくなった。

答え：✕。バキッという音、地面とスマホがわずかに熱くなった分、画面を割るのに使われた分。この3つに姿を変えて、ちゃんと残っています。

物理でいう「仕事」

物理でいう仕事は、力を加えて、実際に動かした分だけ。力と動いた距離を掛けて数えます。

仕事をした分だけ、エネルギーが相手へ移ります。落ちたスマホは、自分の蓄えで画面を割る仕事をしました。

汗だくでもゼロ？

問題：重いバーベルを頭の上で支えたまま、10秒間じっと動かずにいました。物理でいう仕事はどれくらいですか？

1. 支えていた時間の分だけ仕事をしている
2. 動かしていないので仕事はゼロ（正解）
3. 重さの分だけ仕事をしている

解説：力は間違いなく出していますが、動いた距離がゼロなので仕事もゼロです。頑張ったかどうかは、物理の側では見てもらえません。

なぜ、巻き戻らない？

エネルギーの合計が変わらないなら、破片が集まってスマホに戻ってもよさそうです。

でも、そんな場面は一度も見たことがありません。保存則だけでは、この向きを説明できないのです。

壁を外してみる

仕切りを外して、左に並んだ粒を自由にします。もう一度きれいに左へ戻る瞬間があるか見ていてください。

散らかりに名前を付ける

粒は1つも消えず、変わったのは散らばり具合だけ。これがエントロピーです。

全部が左に戻る確率は、粒10個で約1000分の1、100個なら10の30乗分の1。禁止ではなく、確率が低すぎるのです。

戻る可能性はある？

問題：左に集まっていた100個の粒が広がったあと、偶然また全部左側にそろう。これは物理的にどう扱われますか？

1. ルールで禁止されているので絶対に起きない
2. 起きてもよいが、起こりにくすぎて事実上ない（正解）
3. しばらく待てば必ず一度は起きる

解説：1つ1つの粒の動きだけ見れば、逆向きも自然です。ただ、散らかった並び方のほうが圧倒的に数が多いので、そちらに落ち着いてしまいます。

時間に向きがある理由

動画を逆再生すると、破片が集まり、湯気がカップに戻るので、すぐおかしいと気づきます。

私たちは散らかりが増える向きを未来だと見分けています。これが時間の矢です。

量は同じ、でも戻らない

• エネルギーは消えず、形を変えるだけ
• 力を加えて動かした分だけが、仕事として数えられる
• 散らかり具合は増えるほうにしか進まず、それが時間の向きを作る

総仕上げ

問題：エネルギーは保存されるのに、割れたスマホが元に戻らないのはなぜですか？

1. 割れたときに、エネルギーが少しだけ失われるから
2. 量は同じでも、散らかった状態のほうが圧倒的に起こりやすいから（正解）
3. エネルギーが元に戻ることを禁止するルールがあるから

解説：量の話と向きの話は別でした。おつかれさまでした。では、スマホの電池にためるエネルギーは、線もないのにどうやって充電台から届くのでしょう。次は触れずに力が伝わる仕組みを追い、光の正体に迫ります。