このブログ記事では、時間は本当に直線的にのみ流れるのか、そしてその方向性は宇宙と進化の中でどのように変化するのかを探ります。
時間とは何か？ヒッポのアウグスティヌスはこう言いました。「誰も尋ねない時、私は時間とは何かを知っている。しかし、説明しようとすると、もはや分からなくなる。」ヒッポのアウグスティヌスの言葉は、時間の本質を的確に指摘しています。その本質を理解するのは難しいですが、時間は過去から未来へと矢のように流れていることは明らかです。この流れは私たちの人生のあらゆる瞬間に浸透し、人間の経験は時間の経過によって構造化されています。私たちが記憶する過去、私たちが予期する未来、そして私たちが生きる現在はすべて、時間の枠組みの中に存在しているのです。
時間の方向性に関する科学的研究は近代になってようやく始まり、宇宙時間と熱力学的時間という二つの主要な視点から考察されています。宇宙時間は宇宙の膨張方向と関連しています。熱力学的時間は、エントロピー、つまり無秩序が増大する方向に時間が進むという概念です。これら二つの視点は、時間の概念を理解するための重要な枠組みを提供し、それぞれの理論が時間を説明する上で独自の役割を果たしています。
宇宙に適用される時間の概念である宇宙論的時間は、アイザック・ニュートンの法則とアルバート・アインシュタインの相対性理論によって提示されました。アイザック・ニュートンの法則によれば、物体の現在の状態（位置と速度）が分かれば、その未来か過去の状態を予測することができます。しかし、この法則を宇宙全体に適用すると、時間の方向が過去か未来かを判断することができなくなります。つまり、たとえ時間が逆方向に流れると仮定しても、物体の運動はアイザック・ニュートンの法則に従っているように見えるのです。これは時間の対称性と呼ばれています。例えば、宇宙探査機が捉えた惑星の運動を捉えたフィルム映像は、順方向に再生しても逆方向に再生しても完全に再生され、アイザック・ニュートンの法則によく適合します。したがって、ニュートンの法則だけでは、現在の膨張宇宙の方向に向かっていると考えられる宇宙論的時間の方向性を十分に説明することはできません。
さらに、宇宙の膨張を最もよく説明する理論として知られるアルバート・アインシュタインの相対性理論でさえ、時間の方向性を適切に説明できていません。アインシュタインの相対性理論は、時間と空間の関係を再定義し、宇宙の仕組みを説明するという画期的な貢献を果たしましたが、時間の非対称性に関しては依然として不明な点が残っています。この限界により、科学者たちは新たな統一理論の探求を迫られ、時間の機能に関するより深い理解が求められています。
一方、熱力学的時間とは、熱力学第二法則によって記述される時間を指します。この法則によれば、自然現象はエネルギーが散逸しエントロピーが増大する方向へと進みます。陶器の壺を床に落とすと割れたり、部屋から立ち上る煙が窓を開けると徐々に拡散して外側へ広がったりするように、自然は無秩序が最大限に高まった状態へと進んでいきます。これらの例で観察される時間は不可逆であるため、不可逆時間と呼ばれます。これらの自然現象の進行方向は、まさに熱力学的時間の進行方向です。この法則は、私たちが日常の世界で経験する時間の方向性を、現実から逸脱することなく説明しています。
熱力学第二法則は、時に問題視されることがあります。生命体が出現し、秩序ある生物へと進化していくとする進化論と矛盾しているように見えるからです。これは、進化論において、より単純な生命体がより複雑な生命体へと進化し、秩序の度合いが増すと解釈されるためです。この矛盾に対し、イリヤ・ロマノヴィチ・プリゴジンは、無秩序から秩序が出現し得ることを実証し、進化論と熱力学第二法則が共存し得ることを説明しました。つまり、自然界には、エントロピーが最大となる熱平衡状態を目指す過程だけでなく、エントロピーの増加を最小化する非平衡現象も存在するということです。言い換えれば、自然界全体が熱平衡に向かって進化していくことは間違いありませんが、特定の時空領域においては非平衡状態が発生し得るのです。
例えば、インク滴を水に落とすと、最終的には淡い色の平衡状態となります。しかし、その過程を観察すると、インクが広がるにつれて模様や構造が生まれます。これはまさに、水中で一時的に生じる非平衡状態の一例です。進化論も、この非平衡状態が持続する過程に対応する現象として捉えられています。このように説明することで、熱力学第二法則は進化論と矛盾なく共存し、日常の時間の方向性を効果的に説明することができます。さらに、熱力学第二法則のこの側面は、時間の方向性がエントロピーの増加のみに追従するのではなく、局所的には秩序や複雑さが増大しうることを示唆しています。これは、私たちの身の回りで起こる様々な自然現象と整合し、生命と進化の複雑さを理解する上で重要な役割を果たすと考えられます。
しかし、この第二法則を宇宙全体に拡張するとどうなるでしょうか？最終的に、宇宙は低エントロピー状態から高エントロピーかつ無秩序な状態へと進行します。このエントロピー増加のプロセスが無限に続くと、宇宙は最大エントロピー状態、つまり熱的死と呼ばれる状態に達します。この状態は、利用可能なエネルギーがすべて完全に散逸し、それ以上の活動が起こらない状態です。この熱的死の状態は、時間の究極の終着点を表しています。しかし、この解釈は、宇宙の膨張過程で作用する重力を考慮に入れていません。したがって、これは単なる仮説に過ぎず、宇宙の実際の時間を正確に記述しているわけではありません。
同様に、熱力学第二法則は日常世界においてのみ説明力を持ち、宇宙全体に適用される時間の方向性を十分に説明することができません。同様に、前述のニュートンの法則や相対性理論も宇宙時間の方向性を説明することはできません。時間の概念は、私たちが日常で経験する時間よりもはるかに複雑であり、その本質を理解するには、より多くの研究と理解が必要です。時間の方向性を真に説明するには、日常の時間の方向性と宇宙全体に適用される時間の方向性を同時に説明できる統一理論が必要です。そのような理論の構築は、現代科学が直面する大きな課題です。
