伝説の「絶対零度」とは何でしょうか？

絶対零度、これは数え切れないほど多くの人々を魅了する概念です。私たちは皆、この温度について聞いたことがありますが、その具体的な値や意味についてはほとんど知りません。この神秘的な絶対零度とは一体何なのでしょうか？このような極低温下ではどのような不思議な現象が起こるのでしょうか?今日は絶対零度の謎を解き明かして調べてみましょう。

絶対零度

絶対零度とは、物体の温度がゼロケルビン、つまり摂氏 -273.15 度であることを意味します。これは温度の最低限界であり、熱力学や統計力学などの分野における重要なベンチマークと考えられています。この概念は、イギリスの物理学者ウィリアム・トムソンによって最初に提唱され、19世紀後半にオランダの物理学者ハイケ・オンスローによって発見されました。絶対零度の温度は 0K です。これは、物質のすべての分子の平均運動エネルギーがゼロであることを意味し、物質には温度や熱エネルギーがなくなることを意味します。物質の温度が絶対零度に近づくと、物質の性質は非常に奇妙で神秘的な変化を起こします。例えば、液体ヘリウムは絶対零度に近づくと、粘性がゼロで熱伝達能力が無限大となる超流体と呼ばれる不思議な物質に変化します。金属は絶対零度に近づくと超伝導特性を示し、電子は金属内で自由に伝導できるようになります。これにより、近年、無損失冷凍、高速回路、強磁場など、多数の新しい研究分野が生まれ、実験物理学、量子コンピューティング、バイオメディカルなど多くの分野で広く利用されるようになりました。

絶対零度は理論上の限界ですが、有限のステップで物体を絶対零度まで冷却することはできないとする熱力学の第 3 法則に違反するため、人間は物体をこの温度まで冷却することはできません。

絶対零度での変化

分子レベルでは、絶対零度はすべての熱運動の終わりを示します。この極低温では、分子の熱振動はほぼ完全に停止し、原子や分子の振動や回転はほぼ消えます。この状況では、物質の分子構造が極めて安定し、凝縮物質の原子または分子が互いに接近し、物質の特殊な状態が形成されます。たとえば、超流体や超伝導体は、特定の温度では粘性や電気抵抗などの本来の特性を失います。摩擦や抵抗なく流れることができます。

これらの現象は極低温条件下でのみ発生し、分子の熱運動の減速と量子効果に密接に関連しています。絶対零度では、特定のボソンが同じエネルギーレベルに集まることがあり、これはボーズ・アインシュタイン凝縮と呼ばれる現象です。これは、物質の新しい状態の可能性を明らかにし、量子物理学とその潜在的な応用に重要な意味を持つユニークな量子現象です。

さらに、絶対零度における分子の平均運動エネルギーはゼロに近いものの、量子ゆらぎの形で微量に振動し続けます。この小さな振動は物質の特性と構造に大きな影響を与え、量子力学の基本的な現象の 1 つです。

最後に、温度が十分に低い場合、一部の絶縁体は導体になる可能性があり、これは絶縁体から導体への転移として知られている現象です。絶対零度では原子の振動がほぼ消失し、電子が結晶格子内を自由に移動できるようになり、導電性が生じます。

一般的に、絶対零度は自然科学における重要な概念であるだけでなく、量子の世界を探求するための入り口でもあります。この極端な温度では、物質は多くの独特で驚くべき特性を帯びます。これらの特性は、自然に対する理解を深めるだけでなく、科学技術革新の無限の可能性も提供します。

絶対零度には到達できない

太陽系の端にある氷の冥王星は単独で太陽の周りを回っており、表面温度はマイナス248度まで下がることもあります。しかし、宇宙の深宇宙を見上げてみると、そこの温度は冥王星よりもさらに低いことがわかります。宇宙の背景温度はマイナス270.3度まで下がり、科学者はこれを3Kと呼んでいます。宇宙が誕生したとき、温度は非常に高く、その後、爆弾の爆発のように急速な膨張過程を経て、エネルギーが拡散するにつれて中心核の温度は徐々に低下しました。時間が経つにつれて、宇宙の残留熱は、今日私たちが宇宙マイクロ波背景放射と呼んでいるものまで冷却されました。これは、エネルギーが電磁波の形で外向きに放射された結果です。

地球から5,000光年離れたところにブーメラン星雲と呼ばれる天体があります。これは自然に形成された宇宙の「極」であり、最低気温はマイナス 272 度に達し、宇宙の背景温度より 2 度低くなります。しかし、これは正常ではありません。科学者たちは、宇宙は真空に近いため、熱の伝達速度が非常に遅いと分析した。ブーメラン星雲は、進化の最終段階にある恒星から毎秒 164 キロメートルの速度で放出されたガス分子によって形成された星雲です。これらの星雲が内部からの圧力を受けて膨張すると、爆発のような状態になります。つまり、ガスが断熱膨張して体積が増加し、温度が下がるため、星雲の温度は背景温度よりも低くなります。人類は実験室で 0.5×10^(-7)K という最高記録を打ち立てましたが、この温度は絶対零度には達しません。

絶対零度は絶対的な静止を意味しますが、量子力学の不確定性原理によれば、粒子の位置と運動量を同時に測定することはできません。粒子が完全に静止している場合、その速度と運動量は両方ともゼロになりますが、これは明らかに不可能です。したがって、絶対零度には無限に近づくことはできますが、決して到達することはできません。物質を構成する素粒子は量子特性を維持しなければならないからです。

宇宙の最高気温

宇宙の最高温度は想像を絶する数値であり、ビッグバンの瞬間に生み出されました。この温度では、すべての物質とエネルギーが非常に小さな空間に集中し、宇宙の初期状態が形成されます。ビッグバンの直後、宇宙の温度は急速に上昇し、私たちが想像できない値に達しました。

科学者の計算によれば、宇宙が誕生してから数秒以内に、その温度は数兆度に達した。この温度は非常に高いため、すべての物質は陽子、中性子、電子などの最も基本的な粒子に分解されます。宇宙が膨張して冷えるにつれて、これらの素粒子が凝集して原子と分子を形成し始めました。この過程で、宇宙の温度は徐々に低下し、最終的に今日私たちが知っている通常の温度に達しました。宇宙の最高温度を直接測定することはできませんが、科学者は宇宙マイクロ波背景放射を観測することでこの値を推測します。

宇宙マイクロ波背景放射はビッグバンから残った残留熱です。それは宇宙全体に浸透しており、科学者に宇宙の初期の状態を覗くための重要なツールを提供します。科学者たちは宇宙マイクロ波背景放射のデータを分析して、宇宙の最高温度は約3000億度であると結論付けました。この温度はビッグバン時の瞬間温度に比べるとかなり下がっていますが、それでもまだ非常に高い値です。

つまり、宇宙の最高温度はビッグバンの瞬間に生み出されたものであり、それは想像を絶する数値です。この値を直接測定することはできませんが、宇宙マイクロ波背景放射を観測することで、おおよその範囲を推測することができます。この温度の存在と進化は、宇宙の起源と進化を理解するための重要な手がかりとなります。

絶対零度では、光は棒状になるのでしょうか、それとも波状になるのでしょうか?

まず、一つ明確にしておかなければならないのは、現時点では絶対零度に到達することはできないので、この実験は仮説にすぎないということです。現実的な観点から見ると、絶対零度の原子は「絶対静止」の状態にあるはずです。光が介入すると、光の中の原子はこの静的状態を破壊します。簡単に言えば、光は原子を動かし、これらの動く原子は静的状態を破壊して加熱し、絶対零度ではなくなります。

理論的に推測すると、「宇宙で最も速い光」として知られる光が「固定」されたときにどのような形になるかを想像することができます。推測するように言われたら、光が「棒」の形に変わるのと「波」の形に変わるのとではどちらが好きですか?棒状の場合、この認識は主に幾何光学に基づいています。高校の物理の授業で、先生が最もよく言った文は「光は直線的に進みます」でした。そのため、このようにして放出された光を絶対零度で凍結すれば、必ず真っ直ぐな「棒」になるだろうと考える人も多いでしょう。

波模様だったらどうなるでしょうか？これは光の「波動理論」に基づいています。光は粒子であると初めて提唱したニュートンは、関連する実験を用いてその主張を証明した。しかし後に、ニュートンと議論した後、ホイヘンスは光は「波」であるはずだと信じるようになった。光の「波動説」では、光は本質的に「機械的な波」であると考えられており、この説の方が信憑性が高いと考えられるため、光が波になると考える人がいるのでしょう。光波の伝播理論によれば、凍結されるのは「1 つの波」だけではなく「複数の波」であることに注意してください。

さらに、光とは何かという点について、アインシュタインは粒子と波動という二つの論争を統合し、光は波動と粒子の二重の性質を持つと提唱しました。実際のところ、一世紀に渡る議論において、これら 2 つの見解のどちらも、他方が間違っていることを完全に証明することはできません。 「本質を抽出し、不要な部分を捨てる」こと、そしてそれらを巧みに組み合わせて正しい理論を導き出すことがより良いのです。

まとめると、光に対する人々の異なる認識が、光の「形」の変化の主な原因です。もちろん、これらはすべて理論上で達成されます。この実験を本当に現実に実行したいのであれば、方法はありません。まず、絶対零度には到達できません。第二に、たとえこの温度に到達する方法があったとしても、光の形状は他の要因の影響を受け、安定した状態を保つことができません。したがって、この実験は仮説としてのみ考えることができます。審判のいない試合のようだ。勝ったとしても、何らかの理由で無効と判断される可能性があります。

しかし、これは私たちがもっと興味深いものを探求し発見しようとすることを止めるものではありません。ご想像のとおり、一般的な棒や波以外にも、私たちの発見を待っている興味深い形がたくさんあります。実際、科学者たちが絶対零度の素晴らしい世界を徹底的に調査したところ、多くの驚くべき光景を発見しました。例えば、極低温環境では、目に見えないガスが実は「魔法の液体」に変化します。これらの素晴らしい発見により、この世界には私たちが探検し発見するのを待っている未知のものがまだたくさんあることを、私たちはより強く信じるようになりました。

極低温の世界の不思議

ガスは私たちの生活のいたるところに存在していますが、見落とされがちです。空気と同じように、私たちは毎日それを呼吸しますが、その「外観」を説明することはできません。ただ、それが常に私たちを取り囲んでいるということだけはわかっています。しかし、科学者たちが実験で温度を下げ続けると、目に見えないガスが「魔法の鏡」のように形を現し始めた。空気を例に挙げてみましょう。気温がマイナス190度以上に下がると、空気は薄い青色の液体に変わります。さらに驚くべきことは、生花を折って液体の空気に入れると、「ガラスの花」に変わり、その質感は硬く脆くなるということです。

もちろん、温度が下がり続けると、ガスの状態は再び変化します。酸素を例に挙げてみましょう。絶対零度に近い温度では、酸素は「粒」のようになり、色も白くなります。これらのガスの変化はすでに驚くべきものです。

次に、極低温環境下における金属の変化についてお話しします。温度計内の水銀は低温環境では非常に硬くなり、流れることができなくなります。つまり、私たちが普段使っている「水銀温度計」では、極低温は測れないということになります。実生活では通常非常に強い鋼鉄も、低温環境では脆くなります。現実世界では、家庭内のステンレス器具を壊すことは難しく、見た目が変わっても壊れることはありません。しかし、極低温環境では、ステンレス製品は陶器のボウルと同じくらい脆くなり、少し触れただけで割れてしまいます。

私たちは絶対零度の探究の中で多くの驚くべきことを発見しました。絶対零度はまだ理論上の限界ですが、その探究と研究を通じて、私たちは世界の自然と法則についてより深い理解を得ることができます。技術の進歩により、-273.15℃という値の探究はますます深まっています。 （インターネットからの写真）

著者 |キウイ

ニュージーランドのリンカーン大学で金融を専攻して卒業。彼は一般向け科学知識に強い関心を持っており、多くの一般向け科学雑誌に一般向け科学記事を発表しています。事実に注意を払い、最先端の技術を積極的に探求してください。