寒さには限界があるのに、暑さには限界がないのはなぜですか?

画像の説明: 宇宙の絶対零度と極度の温度の理論。画像出典:astronoo.com

絶対零度の概念

絶対零度は次のように定義されます。0K(ケルビン) または-273.15℃は、到達可能な理論上の最低温度を表します。この温度では、原子は最低の基底状態にあり、残留量子効果を除いてすべての運動を停止します。熱力学の原理によれば、負の運動エネルギーは不可能であるため、これは限界を示しており、これがなぜ 0 K を下回れないのかを説明しています。

なぜ負の運動エネルギーは不可能なのでしょうか?

この式では、メートルは粒子の質量であり、vその速度は、運動エネルギーが質量と速度の二乗に依存することを示しています。 古典物理学では、質量は常に正です。言い換えれば、運動エネルギーは負になることはあり得ません。質量や速度の 2 乗など、運動エネルギーを定義する物理用語では負の値が許容されないからです。

$$Ec = \frac{1}{2} mv^2$$

熱力学では、温度は系内の粒子の平均運動エネルギーの尺度です。 0 K の温度は絶対零度に相当します。この場合、粒子は基底状態にあり、熱運動を持たなくなり、平均運動エネルギーがゼロになります。この点を下回ると負の運動エネルギーが必要となり、これは絶対的な静止「下」での運動を意味しますが、これは古典力学や量子力学の文脈では物理的に不合理です。

熱力学の第 3 法則では、系の温度が絶対零度 (0 K) に達すると、粒子のエントロピー、つまり「無秩序」が最小になると述べています。言い換えれば、この温度では、粒子は完全な秩序の状態にあり、熱による撹拌はなくなります。理想的なシステムでは、すべての粒子が完全に整列し、動かなくなるため、エントロピーがゼロになることを意味します。

理想的な系の 0 K では、粒子は熱による撹拌を失い、完全に秩序立った状態で凍結するため、熱的乱れはゼロになります。これは、さらなる混乱が生じる可能性がもうないことを意味します。

ただし、0 K であっても、量子効果により、一部の粒子はわずかな「無秩序」または残留運動を保持します。しかし、古典的な観点から見ると、完全に秩序だったシステムでは、この温度ではこれ以上の無秩序は事実上存在しません。

注： :
質量が仮定的に負である場合、エネルギーは負になりますが、これは古典物理学の範囲外であり、負の運動エネルギーが何を意味するかを理解するには、特定の理論モデルと新しい解釈が必要になります。現在のところ、負の質量の存在を証明した観察や実験はありません。

なぜ温度に上限がないのですか?

寒さとは異なり、熱には固有の上限がありません。温度は粒子の平均運動エネルギーの尺度であり、理論的にはエネルギーの継続的な追加を妨げるものはありません。宇宙の創成時に遭遇したような極端な条件では、温度は数十億ケルビン、さらには数兆ケルビンに達する可能性があります。このような高温は、固有の物理的限界ではなく、利用可能なエネルギー源の能力によってのみ制限されます。

結論

要約すると、絶対零度粒子のエネルギーを基底状態以下に下げることは不可能であるため、物理的な限界を表します (絶対的な不動）。逆に、極度の高温に対する基本的な障壁はありません (極度の興奮）。