エネルギー保存則は、とても重要な法則である。
エンジニアとして開発をしているとき、強度や挙動の考察のために、エネルギー保存の視点を持ち出すことは基本中の基本である。もう少し具体的に述べると、力学的エネルギー、電気エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、音エネルギー、流体エネルギーetc といった各種エネルギーの対象システムへの入出力を考え、現象を考察するのである。
この保存則は、簡単に言うと、「ある一つの系において、エネルギーの総量は不変」というものである(下図)。
図1. エネルギー保存則の概念図
また、熱力学第二法則により、出力エネルギーの全てを回収することは不可能であることが証明されているので、現状、「入力エネルギー＞回収可能な出力エネルギー」が常に成立するので、永久機関やフリーエネルギーが出来ないことになっている。
しかし、研究や開発の場に身を置く者は、一見すると「入力エネルギー≦ 出力エネルギー」な現象を少なからず体験しているはずである。雪崩現象、化学反応系、共振系などである。そのため、発明家の中には、すぐフリーエネルギー発見とか、永久機関の作製に成功とか言う人がいるのである。とはいっても、彼らの考えの中には、特定条件下で現実的にフリーエネルギーや永久機関と捉えても良いと思えるものもある。そこで、本日は、そうした入出力のエネルギー関係が反転してみえるシステムの在り方について、述べたいと思う。
１．エネルギー保存則が破れて見える現象の特徴
先に結論から言う。エネルギー保存則は、「場」と「入出力エネルギー」の捉え方を誤っていると、容易に破れて見える。これが、保存則が破れて見える典型的な特徴である。現実世界の場は、重力場、電磁場、流れ場、化学系などが混在しており、「複合系」であって孤立系であることの方が稀である。よって、一つの場のシステムへの影響だけで入出力を考えているとき、別の想定外の場の影響があると、途端にエネルギー保存が破れてみえてしまう。それは、一つの場で説明のつかない、エネルギーの増幅が観測されるからである。しかし、場に対応するように、正しくエネルギーの流れを考えれば、エネルギー保存が成立している。
例えば、複合系としてAという場と、Bという場が混在した状況を考える。
このとき、A場の影響に従う入出力システム( System-A-)と同B場に従う入出力システム(System-B-)を考える。次に、システムAの出力が、入力に対して形態が変わり、それがB場の影響に従うようにしたとする。そして、場の中に、システムAの出力と選択的に合わさる( 結合、反応、合体 )ことができる要素をばらまいておく。こうすることで出てきたシステムBの出力は、当然、出力Aよりも大きい。図にすると、下図２のようになる。
図2. 複合系でのエネルギーの関係例( 赤と青矢印は「場の影響力」をさし,黒矢印は「エネルギーの流れ」をさす. B場入力エネルギー1は、B場の影響があるときのみ、流れる。 )
A場のみに従うと考えていると、
Pin_A ＞ Pout_A
であるが、B場にも従う( or 従える )ようにして、エネルギーの大小を考えると
Pin_A ＞ Pout_AB ≧ Pout_A , 又は Pout_AB ≧ Pin_A ＞ Pout_A
が考えられる。前者は、エネルギー保存の考え方に従う。それでも、A場のみのシステムと比べたら効率が大きく上がっているであろう。B場の空間にばらまかれている要素からのエネルギーの流入があるからである。ただし、システムAでの変換や、システムB内での合体の損失が多きすぎて、入力を越えられなかったということである。
一方、後者は、先の損失があったとしても、B場でのエネルギーの流入が多いために、入力を上回る出力が得られたことをさしている。
この仕組みの該当例は、先ほど申し上げた、雪崩現象や化学反応系である。高く積まれた石垣の石を一つ引き抜くと、石垣のバランスが崩れ、全体が一気に崩れ敵に大ダメージを与えるというのは、雪崩現象の一例である。ダムを決壊させるというのもそうである。
また、電子回路で登場する増幅回路は、「大電流が流れる準備はしておいてトランジスターで遮断しておき、そこに小電流や小電圧を入力してトランジスターの遮断を切ってあげると、雪崩をうったように大電流が出力される」と言う仕組みである。
これらは皆同じ雪崩現象であるが、なぜエネルギー保存が破れたように見えないかと言うと、入出力のエネルギー形態が同じなので、場とエネルギーの入出力を頭で捉えやすいからである。これが、複合系であったり、入出力が別のエネルギー形態であったりする場合、途端に、破れたように見えだす。
また、化学反応系は、特に、連鎖反応と呼ばれる反応モデルは、入力分子が溶液内のある分子と結合しそれを変形させると、周囲の分子が加速的にその変形体に引き寄せられて反応し、巨大な分子が形成されるというものである。この反応において、変形体が形成され周囲の一分子と反応できるようにするまでをエネルギー保存則で考えるとエネルギーが安定状態に落ち込むので出力は低下する。しかし、実際の出力は、連鎖反応により場を形成する分子を取り込み形成された巨大分子なのである。これは、とても入力分子一つのもつ些少なエネルギー体ではない。「場と、場を形成する要素を利用して、巨大なエネルギーを得る術」を理解することの重要性を、化学反応系はよく教えてくれる。
２．共振系について
改めて言う話でもないが、共振系もまた、エネルギー保存が破れて見える現象である。「重ね合わせ」とその回数により、初めは小さかったエネルギーが巨大になる。エネルギーは波であるので、周波数の近い波形を重ね合わせれば増幅させられるはずである。共振によるタコマ橋の崩壊は有名な話である。この事故のように、共振は、破壊現象に大きく関わるほど大きなエネルギーを生み出すが、反面扱いが難しい。今後も、この共振系いかにうまく使いこなすかが、人類の飛躍の鍵を握っていると私は思っている。あらゆる物体が波であり、エネルギー体であるので、それらを豊かにするには、波とその重ね合わせの技術を洗練させることが一番自然なことであると思えるからである。
さいごに
以上、エネルギー保存が破れて見える現象の特徴について述べてみた。過去、ニコラ・テスラや、飯島秀行氏、井出治氏、前田豊氏らが、フリーエネルギーに関する書籍や論文を発表している。それらが、本日述べた、「場」と「入出力エネルギー」の適切に修正された捉え方で、エネルギー保存を破ったと示されているのかは不明である。また、共振現象を扱えるようにして、同保存則を破ったと主張しているのかも不明である。興味のある方は、調べてみて欲しい。仮に、それらがエネルギー保存則に系属する仕組みであり、着目している場以外の場の影響が加わったことが明らかになったとしても、それはそれで、人類の科学技術に貢献しているのだから素晴らしいことだと思う。むしろ、そうした議論が広く共有され、着目場以外の要素の関わりを、技術者が理解し、有効に活かそうとすることで、ほぼ永久機関とみなしてよい仕組み作りが活性化されるのではないかと思う。例えば、図2にB場として、川の流れの影響を設定したとする。すると、川の流れは100年程度では基本的に枯渇しないから、半永久的に供給され続けるエネルギーとみなせる。とすれば、それ以外の形態の入力を「川の流れとセット」で使う限りは、流れを使わないときに比べて大きな出力を半永久的に得られることになる。このように考えることが、化石燃料や核燃料に依存しない、各国固有の自然エネルギー創出のヒントになると思うのである。
【本日の動画】相模川のせせらぎ
川の流れは、非常に多様で複雑です。地形、石の種類や形状・大きさ、水温、地温、気温、周囲の植生などで水の流れ方が全く変わります。これらの多様な流れを、「水槽の水を斜面に注ぐイメージ」のみで議論しようとしても、説明はつきません。エネルギーの扱い方も同じだと思います。孤立系で定義されるエネルギー保存則の範疇でシステムを考察している内は、自然界でみられる80%以上のエネルギー変換効率を手にすることは出来ないでしょう。手にするには、自然を観察し、複合的な要素の関係性について議論を深める必要があると思うのです。では。。