はじめに
私たちの宇宙は、相対性理論において「縦・横・高さ」という3次元空間と、時間という1次元を合わせた4次元時空として記述される。
しかし、空間については前後左右上下へ自由に移動できるのに対して、時間については奇妙な非対称性が存在する。私たちは未来へ進むことはできても、過去へ自由に戻ることはできない。
この非対称性を考えるうえで重要なのが、熱力学第二法則、すなわちエントロピー増大の法則である。
ただし、「エントロピーが増えるから4次元時空そのものが拡張する」という理解は正確ではない。むしろ、
宇宙の巨視的状態が低エントロピーから高エントロピーへ変化していく方向を、私たちは「未来」と認識している
と考える方が適切である。
この観点から、過去への時間旅行の困難性を弁証法的に考察する。
正――時間にはエントロピーという不可逆的な方向がある
例えば、コップが床に落ちて粉々になる現象を考えてみよう。
「完全なコップ → 無数の破片」
という変化は日常的に起こる。
ところが、
「床に散らばった無数の破片 → 自然に集まって完全なコップ」
という現象を私たちは経験しない。
ミクロな物理法則の多くは時間を反転しても成立するにもかかわらず、巨視的世界には明確な不可逆性が存在する。
その理由を統計力学的に説明するのがエントロピーである。
整然とした状態よりも乱雑な状態の方が、それを実現するミクロな配置の数が圧倒的に多い。そのため孤立系では、巨視的にはエントロピーの高い状態へ移行することが overwhelmingly probable となる。
したがって、
低エントロピー → 高エントロピー
という方向が生じる。
これが「熱力学的時間の矢」である。
人間の身体、記憶、文明、恒星、生命活動も、この時間の矢の内部に存在している。
反――エントロピー増大だけでは「過去への移動は禁止」と証明できない
しかし、ここで注意しなければならない。
熱力学第二法則から、
「過去へ行くためには宇宙全体のエントロピーを減少させなければならない」
と直ちに結論することはできない。
一般相対性理論では、時空の幾何学そのものが重力によって変形する。
理論上は、ワームホールや閉じた時間的曲線など、「ある世界線を進み続けた結果、過去の時点へ到達する」ような特殊な時空構造が研究されてきた。
この場合、タイムトラベラー自身の局所的な時間は常に前へ進んでいる。
つまり、
過去への時間旅行＝自分自身のエントロピーを逆転させること
とは必ずしもならない。
また、エントロピーは確率的・統計的概念である。
したがって熱力学第二法則は、「あらゆる局所的エントロピー減少が絶対に禁止される」という単純な法則でもない。
ゆえに、
「過去に戻れないのは、逆行するために莫大なエネルギーが必要だからである」
という説明だけでは十分ではない。
問題はエネルギー量だけではなく、因果律と時空構造そのものにある。
合――時間旅行の障壁は「エネルギー」より「因果構造」にある
正と反を統合すると、より深い構図が見えてくる。
私たちの宇宙には、
宇宙の低エントロピーな初期状態
↓
エントロピー増大
↓
熱力学的時間の矢
↓
記憶・生命・因果関係
↓
私たちが経験する「過去→未来」
という巨視的な方向性が存在する。
したがって、私たちが未来方向へしか時間を経験できないことと、エントロピー増大には非常に深い関係がある。
しかし、それは「4次元時空がエントロピーによって未来方向へ膨張している」という意味ではない。
宇宙膨張は一般相対性理論による時空のダイナミクスの問題であり、エントロピー増大は統計力学・熱力学の問題である。両者には宇宙論的な関連があるものの、同一の現象ではない。
さらに過去への時間旅行についても、「エントロピーに逆らうには莫大なエネルギーが必要だから不可能」と単純化するより、
現在知られている物理学では、過去へ移動できることが実証されておらず、それを可能にする時空構造にも極めて深刻な物理的・因果論的問題が存在する
とするのが妥当である。
結論――「時間の矢」は4次元時空に刻まれた不可逆性である
エントロピー増大の法則が示しているのは、単なる「物が乱雑になる」という現象ではない。
それは、
なぜ私たちは過去を記憶し、未来を記憶できないのか。
なぜ割れたコップは元に戻らないのか。
なぜ生命は誕生し、老化し、死へ向かうのか。
という時間そのものの非対称性に関係している。
したがって当初の命題、
「エントロピー増大の法則によれば4次元は拡張し続けるため、過去に戻るのは多大なエネルギーを伴い、ほぼ不可能である」
は、次のように修正するとより物理学的に正確になる。
「4次元時空の中で宇宙は低エントロピー状態から高エントロピー状態へ不可逆的に発展し、それが巨視的な『時間の矢』を形成している。過去への時間旅行は単なるエネルギー量の問題ではなく、この時間の矢、時空の因果構造、そして一般相対論・量子論の整合性に関わる根本的問題であり、現在の物理学では実現可能性は確認されていない。」
弁証法的に見れば興味深いのは、物理法則の多くが時間反転に対してほぼ対称であるにもかかわらず、それらが集合した巨視的世界から「過去には戻らない」という非対称な時間が現れることである。
すなわち時間の不可逆性とは、単純な基本法則として与えられたものというより、無数の自由度を持つ宇宙から巨視的に立ち現れる性質として理解することができるのである。
この議論をさらに進めるなら、**「エントロピー増大 → 時間の矢 → 記憶 → 人間が過去と未来を区別する仕組み」**まで展開すると、物理学と哲学をつなぐ論考になります。
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