「光」でも凍らせる！ -273.15 度の「絶対零度」とはいったいどのような概念なのでしょうか?

温度とは何ですか？

この質問を聞くと、温度というのは単に冷たいか熱いかということではないのかと思うかもしれません。それは確かにその通りです。さらに、16 世紀初頭には、ガリレオが温度を測定するための簡単な温度計を発明していました。

しかし、さらに疑問を抱くと、私たちが測定する温度は実際には何を反映するのでしょうか?

答えるのはそんなに簡単ではないでしょうか？実際、温度は、物質を構成する分子、原子、またはより小さな粒子の熱運動の巨視的な現れです。測定温度が高いほど、粒子の熱運動が激しくなると言えます。

では次の質問は、温度には上限と下限があるかどうかです。

科学者たちは理論的に、プランク温度と呼ばれる温度の上限が存在すると推測しています。しかし、この温度は摂氏1億4千万兆兆度と非常に高いのです。この温度は宇宙が誕生した瞬間にのみ存在しました。現在人類が住む宇宙ではこの上限に到達することは不可能です。そのため、日常生活において、温度の上限は人間の想像をはるかに超えています。

温度に下限はありますか？温度には下限値があると言っても過言ではありません。これは温度の定義によって決まります。物体内のすべての粒子の熱運動が停止すると、物体は下限温度に達します。この下限を絶対零度と呼びます。絶対零度の温度は 0 ケルビン (K) に等しく、摂氏 -273.15 度 (℃) です。

これのコンセプトは何ですか?

ギネスブックによると、地球上で最も寒い場所は南極で、最低気温はマイナス89.12度です。冷蔵によく使われる液体窒素の温度は、わずか -196°C、つまり 77 ケルビンです。最も優れた冷媒である液体ヘリウムでも、通常は -269°C、つまり 4.2 ケルビンまでしか到達しません。

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この温度は絶対零度からわずか1ミリメートルしか離れていないようです。では、もっと努力すれば絶対零度に到達できるのでしょうか?

前述のように、温度が絶対零度に達すると、分子や原子の熱運動は完全に凍結したかのように停止します。しかし、温度が絶対零度に近づくと、私たちがよく知っている巨視的な物理法則は適用されなくなり、別の複雑な物理法則である量子力学が支配的になります。

宇宙で観測されるどの粒子についても、その運動量と正確な位置を同時に正確に知ることは不可能です。これは有名なハイゼンベルクの不確定性原理です。

物質がすべての粒子の熱運動が停止する点まで冷却されると仮定すると、各粒子の位置と運動量を同時に正確に決定できることになりますが、不確定性原理の制約によりこれは不可能です。

一歩引いて考えると、絶対零度に到達したとしても、粒子の量子ゆらぎは依然として存在するため、すべての運動が完全に停止するわけではありませんが、平均的な熱運動はゼロになります。しかし、これを実行するのは明らかにほぼ不可能です。結局のところ、物質中の微小粒子の数は非常に多いため、測定が十分に正確である限り（実際には不可能ですが）、平均値が絶対ゼロに達することは期待できません。

したがって、絶対零度は達成できない理論上の値ですが、それに可能な限り近づけることはできます。

では、宇宙で最も寒い場所はどこでしょうか?深宇宙ですか？

確かに深宇宙は非常に寒いのですが、ビッグバンから137億年後に残されたマイクロ波背景放射が宇宙を満たしており、宇宙の平均温度はわずか2.73ケルビンです。

科学者たちは、宇宙の深部よりも低い温度を達成するためにいくつかの方法を使用しました。 He-3 および He-4 を使用した希釈冷却では 0​​.01 K 未満の温度に達することができ、断熱消磁技術では 0.001 K 未満の温度に達することができ、最新のレーザー冷却技術では分子を 0.000001 K まで、原子を 0.00000000045 K まで冷却することができ、これは絶対零度に非常に近い値です。

なぜ科学者はこのような低温を研究するのでしょうか?実際、物体の温度が非常に低い場合、多くの魔法のようなことが起こります。

ほとんどの材料は室温では抵抗がありますが、多くの材料は低温では抵抗が 0 に減少します。抵抗がゼロということは、電流エネルギーの損失がゼロであることを意味します。超伝導材料で作られたケーブルは、電力伝送時のエネルギー損失を大幅に削減できます。

さらに驚くべきことは、超伝導材料は低温では完全に反磁性となり、ほぼすべての外部磁場に抵抗するようになることです。十分に強い磁場を持つものが物質の内部に入っても、磁束線をしっかりと固定することができます。この特性を利用して発明されたのが超電導磁気浮上鉄道です。従来の磁気浮上式鉄道よりも高速かつ安全です。

もちろん、超低温では、超流体や超固体、電荷分離など、予期しない現象が数多く発生し、これらの量子効果の発現は非常に明白になります。想像してみてください。もし低温を制御し、量子を自由に操作できたら、未来は間違いなく大きく変わるでしょう!

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。

著者：サイエンス誌がポピュラーサイエンスチームを廃止

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員