熱的死

熱的死（ねってきし）

熱的死とは、宇宙の究極的な姿として想定される状態の一つで、宇宙全体のエントロピーが最大に達した状況を指します。この状態に陥った宇宙は、あらゆるエネルギーや物質の分布が極めて均一になり、巨視的な変化や活動が完全に停止すると考えられています。

概要

この熱的死という概念は、「孤立系においてエントロピー（乱雑さや無秩序さの度合いを示す物理量）は決して減少しない、あるいは常に増大する」という熱力学の第二法則に深く根ざしています。熱力学第二法則を宇宙全体に適用すると、もし宇宙を孤立系と見なすならば、非常に長い時間スケールを経て、宇宙内の全てのエネルギーや物質が均一に拡散し、もはや利用可能なエネルギー差が存在しない状態へと次第に近づいていくと予測されます。これは、熱機関が仕事をするためには温度差が必要であるように、宇宙全体で何らかの活動（例えば星の誕生や生命活動など）が続くためには、エネルギーや物質の不均一な分布が必要だからです。

熱的死の概念は、19世紀半ば、熱力学の確立期にその起源を持ちます。スコットランドの物理学者であるケルビン卿（ウィリアム・トムソン）が1852年に最初に提唱し、その後、ドイツのヘルマン・フォン・ヘルムホルツやイギリスのウィリアム・ランキンらによって1854年にその理論的枠組みがさらに発展させられました。これは、ルドルフ・クラウジウスが「エントロピー」という物理量を導入し、熱力学第二法則を現代的な形で厳密に定式化する1865年の出来事よりも、およそ10年ほど先行していました。

熱的死の状態に達した宇宙は、理論上、極めて低い温度、すなわち絶対零度に近い状態になると考えられています。しばしば混同されがちですが、これは宇宙全体が冷却されていく別の終末シナリオである「低温死（cold death）」や「ビッグフリーズ」と類似点がありながらも、根本的には異なります。低温死やビッグフリーズは主に宇宙の継続的な膨張による冷却を強調するのに対し、熱的死はエントロピーの最大化とそれに伴う利用可能エネルギーの枯渇に焦点を当てています。熱的死においては、たとえ絶対零度でないにしても、熱力学的な仕事を行うためのエネルギー差が宇宙のどこにも存在しなくなります。

しかし、現代宇宙論における近年の研究、特にインフレーション理論の進展は、熱的死という概念に対する新たな視点をもたらしています。インフレーション理論では、宇宙が急膨張する以前の極めて初期の段階において、宇宙はほぼ熱平衡状態に近い、ある意味で熱的死に似た状況にあった可能性が示唆されています。さらに、現在観測されているような加速膨張を続ける宇宙においては、宇宙がその時点で取りうる最大エントロピーの値（空間体積に依存する）は、宇宙の膨張に伴って実際の宇宙のエントロピー増加率よりもはるかに速く増大していきます。このことは、「エントロピーを排出できる『場所』（相空間上の自由度）が宇宙の膨張によって常に大量に供給され続ける」と解釈することもできます。したがって、宇宙のエントロピーは増え続ける一方で、宇宙全体の状態は熱平衡状態から大きくかけ離れたままでいられる、と主張する研究者も存在します。

加えて、宇宙の未来を予測するための単純な熱力学モデルそのものに対する根本的な疑問も呈されています。宇宙スケールで重要な役割を果たす重力や、微視的な世界の記述に不可欠な量子力学といった要素を、単純な熱力学の枠組みに整合的に組み込むことは非常に困難です。そのため、このような単純化されたモデルを用いて宇宙の究極的な運命を正確に予測することの妥当性については、懐疑的な見方をする研究者もいます。したがって、熱的死が実際に宇宙の最終的な姿となるかどうかは、依然として現代宇宙論や物理学における活発な議論の対象となっています。

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