宇宙の熱的死

宇宙の熱的死（ビッグチルまたはビッグフリーズとしても知られる）^{[1] [2]は、}宇宙の最終的な運命に関する仮説であり、宇宙は熱力学的自由エネルギーのない状態に進化し、したがってエントロピーを増大させるプロセスを維持できなくなることを示唆しています。熱的死は特定の絶対温度を意味するものではなく、温度差やその他のプロセスが仕事を行うために利用されなくなることだけを必要とします。物理学の言葉で言えば、これは宇宙が熱力学的平衡に達したときです。

宇宙の曲率が双曲的または平坦である場合、または暗黒エネルギーが正の宇宙定数である場合、宇宙は永遠に膨張し続け、熱的死が起こると予想され、^[3]長い期間の後、宇宙は冷却して非常に低い温度で平衡に近づくと予想されます。

熱死の仮説は、1850年代に自然界における熱の理論（熱力学の最初の2つの法則に具体化されている）を取り上げ、それを宇宙規模のより大きなプロセスに外挿したケルビン卿の考えに由来しています。これによりケルビンは熱死のパラドックスを定式化し、無限に古い宇宙を反証することができました。 ^[4]

熱死という考えは熱力学第二法則に由来しており、その一説では、孤立系ではエントロピーが増加する傾向があると述べている。このことから、この仮説は、宇宙が十分な時間存続すれば、すべてのエネルギーが均等に分配される状態に漸近的に近づくことを示唆している。言い換えれば、この仮説によれば、自然界には機械的エネルギー（運動）が熱エネルギーに散逸（エネルギー変換）する傾向があるため、外挿すると、第二法則により仕事が熱に変換されるにつれて、宇宙の機械的運動はやがて衰えるという見方が存在する。

宇宙のすべての物体は冷えていき、最終的には生命を維持できないほど冷たくなるという推測は、1777年にフランスの天文学者ジャン・シルヴァン・バイイが天文学の歴史に関する著書とそれに続くヴォルテールとの書簡の中で初めて提唱したと思われる。バイイの見解では、すべての惑星は内部に熱を持ち、現在は冷却の特定の段階にある。たとえば木星は数千年の間、生命が誕生するにはまだ熱すぎるが、月はすでに冷たすぎる。この見解では、最終状態はすべての運動が停止する「平衡」の状態であると説明されている。^[5]

しかし、熱力学の法則の結果としての熱死という考え方は、1851年にケルビン卿（ウィリアム・トムソン）によって漠然と提唱され、彼はサディ・カルノー（1824年）、ジェームズ・ジュール（1843年）、ルドルフ・クラウジウス（1850年）の機械的エネルギー損失の見解をさらに理論化した。トムソンの見解はその後10年間にわたってヘルマン・フォン・ヘルムホルツとウィリアム・ランキンによって詳しく論じられた。^[6]

宇宙の熱的死という考えは、熱力学の最初の2つの法則を普遍的なプロセスに適用する議論から生まれた。具体的には、1851年にケルビン卿が、熱の動的理論に関する最近の実験に基づいて、次のような見解を概説した。「熱は物質ではなく、機械的効果の動的形態であり、原因と結果の間にあるのと同様に、機械的仕事と熱の間にも等価性があるはずだと我々は認識している。」^[7]

1852年、トムソンは『自然界における機械的エネルギーの散逸の普遍的傾向について』を出版し、機械運動とその運動を生み出すために使われたエネルギーは自然に散逸する、つまり減少する傾向があるという見解に要約される熱力学第二法則の基礎を概説した。^{[8]この論文のアイデアは、}太陽の年齢と宇宙の働きの力学への応用に関連して、ウィリアム・ランキンやヘルマン・フォン・ヘルムホルツのような人々の関心を引いた。彼ら3人はこの主題について意見を交換したと言われている。^[6] 1862年、トムソンは「太陽の熱の年齢について」という論文を発表し、その中で彼は、エネルギーの不滅性（第一法則）とエネルギーの普遍的な散逸（第二法則）に関する基本的な信念を繰り返し述べ、その結果、熱の拡散、有用な運動（仕事）の停止、そして物質宇宙を通して「回復​​不能に失われる」位置エネルギーの枯渇が起こると述べ、宇宙全体への影響についての彼の見解を明らかにした。トムソンは次のように書いている。

もし宇宙が有限で、既存の法則に従うままに放置されていたら、その結果は必然的に宇宙の静止と死の状態となるだろう。しかし、宇宙の物質の範囲に限界を想像することは不可能であり、したがって科学は、時計のように動き続け、永遠に止まる単一の有限のメカニズムではなく、無限の空間を通る、位置エネルギーを触知可能な運動、そして熱に変換する作用を伴う無限の進歩を指し示している。^[4]

時計の例は、ケルビンが宇宙が最終的に熱力学的平衡に達するかどうか確信が持てなかったことを示している。トンプソンは後に、散逸したエネルギーを「vis viva」に回復させて使用可能な仕事にするには、つまり時計の方向を逆転させて「若返る宇宙」をもたらすには、「創造的な行為または同様の力を持つ行為」が必要であると推測した。^{[9] [10]}この出版物から、ケルビンは熱死のパラドックス（ケルビンのパラドックス）も提唱した。これは、宇宙が熱力学的平衡に達していないため、さらなる仕事とエントロピー生成がまだ可能であるため、無限に古い宇宙という古典的な概念に異議を唱えるものである。星の存在と温度差は、宇宙が無限に古くないことの経験的証拠と見なすことができる。^{[11] [4]}

トムソンの1852年と1862年の論文の後の数年間、ヘルムホルツとランキンは両者ともトムソンの考えと彼のパラドックスを認めたが、トムソンは宇宙は「熱的死」（ヘルムホルツ）で終わり、それが「すべての物理現象の終わり」（ランキン）となると主張したとする見解を発表して、彼の論文をさらに深読みした。^{[6] [12] [信頼できない情報源？ ]}

宇宙の最終的な状態に関する提案は、その最終的な運命についての仮定に依存しており、これらの仮定は20世紀後半から21世紀初頭にかけて大きく変化しました。無限に膨張し続けると仮定された「開いた」または「平坦な」宇宙では、最終的には熱的死またはビッグリップのいずれかが発生すると予想されます。^{[3] [13]}宇宙定数がゼロの場合、宇宙は非常に長い時間スケールで絶対零度に近づきます。しかし、宇宙定数が正の場合、温度はゼロ以外の正の値に漸近し、宇宙はそれ以上の作業が不可能な最大エントロピーの状態に近づきます。^[14]

この理論によれば、ビッグバンから現在に至るまで、宇宙の物質と暗黒物質は恒星、銀河、銀河団に集中しており、今後もその状態が続くと推定される。したがって、宇宙は熱力学的平衡状態になく、物体は物理的な仕事をすることができる。^{[15] :§VID}およそ1銀河質量（10 ¹¹太陽質量）の超大質量ブラックホールのホーキング放射による崩壊時間は10 ¹⁰⁰年のオーダーであるため 、^[16]少なくともその時間まではエントロピーが生成され得る。宇宙のいくつかの大型ブラックホールは、超銀河団の崩壊中におそらく10 ¹⁴ M _☉まで成長し続けると予測されている。これらでさえ、最大10 ¹⁰⁶年のタイムスケールで蒸発するであろう。^[17]その後、宇宙はいわゆる暗黒時代に入り、主に光子とレプトンの希薄ガスで構成されると予想されます。^{[15] :§VIA}非常に拡散した物質のみが残るため、宇宙の活動は劇的に衰え、エネルギーレベルは極端に低く、時間スケールは極端に長くなります。推測では、宇宙が第2のインフレーション期に入る可能性があります。または、現在の真空状態が偽の真空であると仮定すると、真空はより低エネルギー状態に崩壊する可能性があります。^{[15] :§VE}エントロピー生成が停止し、宇宙が熱的死を迎える可能性もあります。^{[15] :§VID} 

ポアンカレの再帰定理^[18]、熱ゆらぎ^[19]、^[20]、[21]、およびゆらぎ定理[22]により、長い時間をかけて自発的なエントロピーの 減少が起こることが示唆されています。^{[23]これにより、ランダムな}量子ゆらぎまたは量子トンネル効果によって、およそ数年のうちに別の宇宙が創造される可能性があります。^[24] ${\displaystyle 10^{10^{10^{56}}}}$

マックス・プランクは、「宇宙のエントロピー」という語句は、正確な定義がないため意味がないと書いている。^{[25] [26]} 2008年に、ウォルター・グランディは次のように書いている。「我々がまだほとんど理解していない宇宙のエントロピーについて語るのはむしろおこがましい。存在全体を通して平衡状態にあったことのない宇宙とその主要構成要素の熱力学的エントロピーをどのように定義できるのか疑問に思う。」^[27]ラースロー・ティサによると、「孤立したシステムが平衡状態にない場合、エントロピーをそれに関連付けることはできない。」^[28] ハンス・アドルフ・ブッフダールは、「宇宙を閉じた熱力学システムとして扱うことができるという完全に不当な仮定」について書いている。^[29]ジョヴァンニ・ガラヴォッティによると、「定常状態にある場合でも、平衡状態から外れたシステムに対するエントロピーの普遍的に受け入れられた概念はない。」^[30]非平衡状態におけるエントロピーの問題について議論したエリオット・H・リーブとヤコブ・イングヴァソンは、次のように意見を述べている。「ほとんどの物理学者がそのような非平衡エントロピーを信じているにもかかわらず、これまでのところ、それを明確かつ満足のいく方法で定義することは不可能であることが証明されている。」^[31]ピーター・ランズバーグの意見では、「3番目の誤解は、熱力学、特にエントロピーの概念は、さらなる調査なしに宇宙全体に適用できるというものである。...これらの質問には一定の魅力があるが、答えは推測にすぎない。」^[32]

2010 年のエントロピー分析では、「一般重力場のエントロピーはまだわかっていない」、および「重力エントロピーを定量化することは困難である」と述べられています。この分析では、推定に必要ないくつかの想定が検討され、観測可能な宇宙のエントロピーはこれまで考えられていたよりも大きいことが示唆されています。これは、この分析で超大質量ブラックホールが最大の要因であると結論付けられているためです。^[33] Lee Smolin はさらに、「重力が宇宙を熱平衡から遠ざけるために重要であることは長い間知られていました。重力で束縛されたシステムは負の比熱を持ちます。つまり、エネルギーが除去されると、その構成要素の速度が増加します。...このようなシステムは均質な平衡状態に向かって進化しません。代わりに、サブシステムに断片化するにつれて、ますます構造化され、不均質になります。」と述べています^。[34]この視点は、比較的単純な閉鎖系で安定した非平衡定常状態が最近^{[いつ? ]}実験的に発見されたという事実によっても裏付けられています。サブシステムに分割された孤立系は必ずしも熱力学的平衡に達するとは限らず、非平衡定常状態のままであると予想される。エントロピーはサブシステムから別のサブシステムに伝達されるが、その生成はゼロであり、これは熱力学の第二法則に矛盾しない。^{[35] [36]}

アイザック・アシモフの 1956 年の短編小説『最後の質問』では、人類は宇宙の熱的死をどうしたら避けられるのかと繰り返し疑問を抱いています。

1981 年のドクター・フーの物語「ロゴポリス」では、ドクターは、ロゴポリタン人が宇宙の終焉を遅らせるために、他の宇宙に蓄積した熱を排出する通気口「チャージド・バキューム・エンボイトメント」または「CVE」を宇宙に作ったことに気づきます。ドクターは「フル・サークル」で、無意識のうちにそのような通気口を通過しました。

1995 年のコンピュータ ゲーム「I Have No Mouth, and I Must Scream」は、ハーラン エリスンの 同名の短編小説に基づいており、悪意のあるスーパー コンピューター AM が宇宙の熱的死を生き延び、不死の犠牲者を永遠に苦しめ続けると述べられています。

2011年のアニメシリーズ『魔法少女まどか☆マギカ』では、敵役のキュゥべえが、エントロピーと戦い宇宙の熱的死を食い止めるために何千年もの間 魔法少女を作り出し、そのエネルギーを収穫してきた異星人の一員であることを明かす。

『ファイナルファンタジーXIV: エンドウォーカー』の最終章では、プレイヤーは、エアと呼ばれる異星人の種族に遭遇します。彼らは、宇宙がやがて熱的死を迎えることを知っており、その必然性ゆえに他のすべてを無意味なものとみなしているため、将来への希望も、さらに生きたいという願望もすべて失っています。

Xeelee シーケンスの全体的なプロットは、恒星が白色矮星になる速度を加速させることで宇宙の熱的死を加速させようとするフォティーノ鳥の取り組みに関するものです。

2019 年のヒット インディー ビデオ ゲーム「Outer Wilds」には、宇宙の熱的死という考えや、前の宇宙が熱的死を経験した後、宇宙はビッグバンのサイクルになっているという理論に取り組むいくつかのテーマがあります。

モバイルゲーム「少女前線：ニューラルクラウド」の7番目のメインストーリーイベントである「シンギュラリティ・インメモリアル」 ^[37]では、宇宙探査と宇宙の熱的死の脅威をシミュレートするために作られた仮想セクターに関するストーリーが展開されます。このシミュレーションでは、熱的死の影響の代用として、エントロピックと呼ばれるニューラルクラウドのウイルス実体の模倣を使用します。

• 時間の矢 – 物理学における一方通行の時間の概念
• ビッグバン – 物理理論
• ビッグバウンス – 宇宙の起源のモデル
• ビッグクランチ – 宇宙の最終的な運命に関する仮説的なシナリオ
• ビッグリップ – 宇宙論モデル
• 宇宙の年表 – 宇宙の歴史と未来
• 周期モデル – 無限の自己持続的な周期を含む宇宙モデル
• エントロピー（時間の矢）  - 熱力学の第二法則を利用して過去と未来を区別する
• 変動定理 – 統計数学の定理
• ビッグバンから熱死までのグラフィカルなタイムライン - 宇宙の過去、現在、未来を視覚的に表現Pages displaying short descriptions of redirect targets
• 熱死のパラドックス - 宇宙の運命に関するパラドックス
• 最後の質問 – アイザック・アシモフのSF短編小説
• 遠い未来のタイムライン – 遠い未来に関する科学的予測
• 桁数（時間）  – 幅広い時間スケールの比較
• 熱力学的温度 – 絶対零度を基準とした温度の測定