絶対零度

質問

知り合いから「絶対零度に限りなく近い温度までの状態は作れるが、実際に絶対零度の状態は作り出せない（だせていない？）」ということを聞いたことがあるのですが、本当でしょうか？

回答No.3

albrac · ベストアンサー

ARCさんやUmadaさんの回答を指示します。
やはり、物質が持つエネルギーが０という事はありえません。

高校時代の教科書をもう一度ひもといて下さい。
とても解かりやすいです。
理想気体、つまり、気体の体積と温度が比例する仮想の気体が存在したとします。
温度が０ケルビンになった場合、気体の体積は消滅・・・０になってしまいます。
しかし、実際には、気体は原子を元に構成されていますから、０ケルビンに到達したとしても、物質が存在するわけですから、理論上矛盾が生じます。

ですから、実際に０ケルビンは存在しないわけです。

蛇足ですが、宇宙空間でも、一見真空の様ですが、宇宙全体としては、空間に恒星やガス等の物質が存在します。したがって、宇宙空間にも温度が存在して、それが黒体放射として2.7Kの温度が存在しています。

回答No.22

siegmund

siegmund です．

本題から少し離れますが，
μK (マイクロケルビン = 10^{-6} K)や nK (ナノケルビン = 10^{-9} K)程度の
極低温の話では，「何の温度か」を明確にする必要があります．

極低温を生成する手段で
rei00 さんが言及されている核断熱消磁と言う方法があり，
これは核スピン系を冷やす手段です(今のところ一番冷える方法です)．
常識的に考えれば，核スピン系が冷えれば熱(というか，冷ですかね)伝わって
物質全体が冷えることになります．
物質全体の温度をしばしば格子系の温度と言っています．
ところが，核スピン系から格子系に温度が伝わるにはある程度の時間が必要で
この時間が極低温では非常に長くなります．
そういうわけで，核スピン系は冷えても格子系はそんなに冷えていない，
ということが起こります．

rei00 さんの 20 [nK] は核スピン系の温度です．
0.5 [nK]くらいまで冷やした話は聞いたことがあります
(ちゃんと追跡しているわけではないので，これが世界記録かどうかは知りません)．
一方，格子系の方は 12 [μK]の話を聞いています
(これも世界記録かどうかは知りません)．
一時，東京大学の物性研究所が格子系温度の世界記録を持っていたことがありました．

低温を作る手法については
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=27212 (冷やし方のいろいろ)
をご覧下さい．

回答No.21

rei00

通り掛りの一般人ですが，Umada さんの『0.003 [K]くらいまでは実現できているようです。(その後に記録が更新されているかも知れませんので、この数字は参考程度にお受け取り下さい)』に反応して一言。

　手元の「アトキンス　物理化学（上）　第６版」（東京化学同人，２００１年）によると，核断熱消磁（核スピンに対する断熱消磁）を銅に対して用いて達成された 約 20 [nK] が世界記録だそうです。

回答No.20

Umada

何回もお騒がせして申し訳ありません。今度は少し勉強してきました。

「有限回数の熱力学的過程では絶対零度に到達しない理由は分からない。証明もできない。しかしそれを仮定すると世の中の現象を合理的に説明できる一方、それを否定する材料は長年の検証によっても何一つ出てこない。だから現代の科学はそれを「熱力学第三法則」として認めている。」
という説明でいかがでしょうか。

「有限回数の熱力学的過程では、絶対零度には到達しない」ということは熱力学第三法則が述べているわけですが、熱力学第三法則は「法則」ですから、それが何故成り立つのかは証明できません。「何故だかは分からないが、それを仮定すると世の中の現象を合理的に説明できるもの」が法則です。(有名な「エネルギー保存の法則」にしてもそれを証明することはできません)
従って「有限回数の熱力学的過程では、絶対零度には到達しない」のは何故かを問うことはできません。そう仮定すると世の中をうまく説明できる、というのがその唯一の拠り所なのです。付け加えるなら「有限回数の熱力学的過程で絶対零度に達する証拠、あるいはそれを支持する傍証が、これまでの多くの研究者の長年の検証によっても何一つ出てこない」ということです。
最初のご質問は「エネルギーは保存するか」「熱力学過程は常にエントロピーが増大する方向に進むか」などと同等の質問だったということになります。この2つの問い、いずれも答えは自明ですが理由は説明できません。しかし「保存する」「増大する方向に進む」と考えられていて誰も疑わないわけですよね。
にわかには受容れにくいと思いますが、絶対零度の実現についての議論も全く同じなわけです。

熱力学第三法則は当初Nernstにより、「絶対零度での液体/固体の化学反応は、エントロピーの変化なしに行われる」と記述されました。その後Planckが「絶対零度でエントロピーは0になる」と拡張しました。
「絶対零度でエントロピーは0」から「有限回数の熱力学的過程で絶対零度に達することはない」を導くことができます。同様に逆も導けますのでこの二つの命題は等価ということになります。一見「有限回数の・・・」を証明できたかのように見えますが、これはあくまで「一方を仮定すれば」という条件付きです。仮定した一方が何故成り立つのかは証明できず、従って導き出した結論についてもその成立の根拠は不明のままです。

極低温を作り出すには、ヘリウムの沸騰冷却で1 [K]くらいまで温度を下げ、さらに断熱消磁という方法を使うそうです。0.003 [K]くらいまでは実現できているようです。(その後に記録が更新されているかも知れませんので、この数字は参考程度にお受け取り下さい)　実際問題として絶対零度(に近い温度)を実現し、またそれを計測するのが難しい技術であることは既に皆さんが回答されている通りです。

参考文献：小林謙二, 物理学ライブラリー「熱統計物理学I」, 朝倉書店 (1983).

回答No.19

albrac

NO.18の回答と補足、撤回します。
実は、フェルミ分布関数及び、縮退の解釈を誤って、とんでもない間違い回答してしました。

やはり、会員台下の皆様の言うとおり、
「物体の温度を絶対零度に到達させる事はできない」
が正しいです。

訂正して、お詫び申し上げます。

回答No.18

albrac

勉強しなおしました。

「絶対０度」は存在しうる、と言うのが私の最終的な回答です。
詳細は、皆さんが納得出きるような説明が出きるようになるまで復習して、自分の身に完全に身につけてから、追って書き込みます。
私自身、自家薬籠に出来なければ、本当に理解したと思いません。
すごい・・・すごい事があるもんだ！

会員台下の皆様、今までの浅学のご無礼、平にお許しを！

回答No.17

hogehogeninja

というか、絶対零度の熱留を持ち出した時点で的外れですよね。これならつくれそうな気もするし。

結局わかりやすくないですし、あまり説明になっていない気がしますが、一応説明を。

Nernstの定理というのは、絶対零度ではエントロピーはある一定の値を持つ、といっています。なのでこの時のエントロピーを０と定義します。
一方、熱容量をもつものは（熱を与えなければ温度が上がらないようなものは）、絶対零度より高い温度で必ず０より大きいエントロピーを持ちます。
エントロピーは熱を失うことによって下がりますので、自分より冷たいものがなければ小さくなりません。
なのではじめに絶対零度のものがなく、０より大きいエントロピーを持った物は、エントロピーを下げることができず、エントロピーを０にすることができません。
なので絶対零度にすることができません。

と、いうわけなのですが、ほとんど本質的な説明がはいってないですね。

うぅん、困った。
ようはいくらでも温度を下げる操作はありえるけど、一発でぽんと0Kにできない、ということなわけですよね。

回答No.16

hogehogeninja

ポカです。下のNernstの定理のところで、熱容量->０ で冷えにくくなるといっていますが、べつに熱容量が小さくなったからといって温度変化しにくくなるのは逆で大ポカで、どうしたらそういう結論が出てくるのか全然わからないです。あまり関係なさそうです。

うぅん、じゃぁなぜだろう？
もっかい良く考えます。

回答No.15

hogehogeninja

PokaQ さんへ

わかりやすい説明を。
物理的に、絶対零度の状態は可能です。
しかし、それははじめから存在していればそういう状態が可能である、というわけで、絶対零度でない状態から、厳密な絶対零度の状態をつくることはできないです。

どうしてかというと、もし仮に絶対零度を保っていられるものがあるとして、そこにじゃぶんと絶対零度でないものをつけたとします。するとその物体はどんどん冷やされますが、冷えれば冷えるほど冷えにくくなります。そのために、絶対零度に近づくにつれて冷えなくなるので、時間をかければいくらでも絶対零度に近づきはするが、厳密な絶対零度にすることはできないです。

「Nernstの定理」なるものが出ていますが、これが「冷えれば冷えるほど冷えにくくなる」ということと関係している定理です（この定理の副産物として、熱容量が絶対零度に近づくと０に近づかなければならないことがわかります。絶対零度にならないことを示すのには必ずしも必要ではありませんが、意訳するとここがポイントです）。

もちろん実際は上のようなやり方以外にだって方法はあるでしょうが（というか上のようなやり方は実際はできないですが）、どんなやりかたをしても、絶対零度に近づけば近づくほど絶対零度になりにくくなって、いつまでも到達できないわけです。

jun1038 さんへ

絶対零度の定義ですが、「物理的に可能な状態で、『熱エネルギー』が最も小さい状態」です。
で、熱エネルギーの担い手はjun1038 さんの考えてらっしゃるように、（普通は）振動などの運動エネルギーです。最もエネルギーが小さくなるのは、振動が止まったときだろうと思えますが、実は量子力学が支配している世界なので、量子力学によると、振動のエネルギーが最も小さい状態でも振動の振幅は０になれないことがわかっています。

絶対零度は、「熱運動のエネルギー（など全ての熱エネルギー）が最も小さい温度」で、「一番動きを小さくした状態でも動きがある」ということが別の理由である、ということを踏まえれば jun1038 さんのイメージで大きく間違っていないです。

ただ、もっと広く考えれば熱エネルギーの担い手は原子の振動だけでなく、光（電磁波のエネルギー）、原子の準位（特に高温の時）などもあります。

お礼

いろいろとご意見ありがとうございます。

＞物理的に、絶対零度の状態は可能です。
＞しかし、それははじめから存在していればそういう状態が可能である、というわ＞けで、絶対零度でない状態から、厳密な絶対零度の状態をつくることはできない＞です。

・・・つまり・・・絶対零度を人工的には作れないんですね。なんとなくイメージがつかめてきたような、、、。
私が理解するにはもう少し勉強が必要なようですね。　URLを参考に見てみます。
ここはもう少しあけたままにしておこうと思います。　皆さんありがとうございました。

回答No.14

albrac

furu００７さん、No,１２がNo.３補足で出してしまいました。No.１２は投稿で出すべきでした。furu００７さん済みませんでした。お許し下さい。

＞改めて投稿
やっぱり、投稿して論議している回答者の間では理解してるあっているんですが、
何と言うか・・・投稿者の回答レベル（専門知識）だけでなく、回答が締め切られても、後で見た方々にも解り易い、まとまった回答が欲しいですね。回答者同士だけが納得出来て、質問者の方や、閲覧する方々がちょっと解らない回答になりつつあるような気がします。
「絶対０度」の問題、まとめて解り易く出きる方、よろしくお願いします。
論議に水を刺してすみません。

回答No.13

furu007

宇宙空間は真空ではありません。我々が作り得る真空装置よりも極めて真空に近い
状態の空間だという事です。宇宙空間には水素やヘリウムのようなガスが存在し
その為に、宇宙の背景放射と呼ばれる2.7Kの温度が観測される事になります。
この温度が、自然界では最も低い温度ではないのでしょうか？

絶対零度に関しては、全ての熱運動が止まった状態(量子論的ゆらぎである
零点振動は残りますが)としかうまい表現が見つかりません。
熱力学の第二法則や第三法則からも表現出来ますが、私の様な半端者には
直感的に訴える物ではないです、、、

絶対零度は実現不可能というのには、測定環境の点から下記に話しましたが
絶対零度にしたい物質/空間を、ほかの環境から確実に断熱する方法が無い
ので、どうしても対象物質/空間と他の環境の間で熱の移動が伴いますよね。
熱が移動するという事は、とりもなおさず温度が存在する事になりますから。

広大な区間を極限まで冷やして、その中心部を測定するという手もありますが
そんな環境でも、やはり絶対零度に近づけても、到達はありえませんよね。