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宇宙の熱的死（ビッグチルまたはビッグフリーズとも呼ばれる）[ 1 ] [ 2 ]は、宇宙の最終的な運命に関する科学的仮説であり、宇宙は熱力学的自由エネルギーのない状態に進化し、最大エントロピーに達したため、それ以上の熱力学的プロセスを維持できなくなると仮定している。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もはや仕事をするために利用できなくなることだけを要求する。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ある。
宇宙の曲率が双曲的または平坦である場合、あるいはダーク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きます。
熱的死の理論は、1850年代にケルビン卿が、熱を自然界における機械的エネルギー損失として捉える理論（熱力学の最初の2つの法則に体現されている）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考えに由来する。これによりケルビンは、無限に古い宇宙を否定する熱的死のパラドックスを定式化することができた。[ 4 ]
熱的死の概念は、熱力学第二法則に由来する。熱力学第二法則の一つの解釈では、孤立系ではエントロピーが増加する傾向があるとされている。このことから、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布する状態に漸近的に近づくという仮説が導かれる。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。したがって、外挿によって、宇宙の機械的運動は、第二法則によって仕事が熱に変換されるにつれて、時間とともに衰退していくという見方が存在する。
宇宙のすべての天体は冷え、最終的には生命を維持するには冷たすぎる状態になるという推測は、1777年にフランスの天文学者ジャン・シルヴァン・バイイが天文学史に関する著作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ようだ。バイイの見解では、すべての惑星は内部に熱を持っており、現在は冷却の特定の段階にある。例えば、金星は生命が発生するには何千年もの間まだ熱すぎるが、火星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「平衡状態」として説明される。[ 5 ]
しかし、熱力学の法則の結果としての熱的死という考えは、1851年にケルビン卿（ウィリアム・トムソン）によって大まかに初めて提唱され、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年間でヘルマン・フォン・ヘルムホルツとウィリアム・ランキンによって詳細に展開された。[ 6 ]
宇宙の熱的死という考えは、熱力学の第一法則と第二法則を普遍的なプロセスに適用することについての議論から生まれた。具体的には、1851年にケルビン卿は、熱の動力学的理論に関する最近の実験に基づいて、次のように見解を概説した。「熱は物質ではなく、機械的効果の動的な形態であり、原因と結果のように、機械的仕事と熱の間には等価性があるはずだと我々は考えている。」[ 7 ]
1852年、トムソンは『自然界における機械エネルギー散逸の普遍的傾向について』を出版し、その中で、機械運動と、その運動を生み出すために使用されたエネルギーは自然に散逸または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 ]この論文の考えは、太陽の年齢と宇宙の作用のダイナミクス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。この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、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）に関する自身の基本的な信念を改めて表明し、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につながると述べ、宇宙全体への影響についての見解を明確にした。トムソンは次のように書いている。
宇宙が有限で既存の法則に従うならば、その結果は必然的に普遍的な静止と死の状態となるだろう。しかし、宇宙における物質の広がりには限界があると考えることは不可能であり、したがって科学は、時計のように刻々と進み、永遠に止まる単一の有限なメカニズムではなく、無限の空間を通して、位置エネルギーを目に見える運動、ひいては熱へと変換する活動の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。トムソンは後に、「 vis viva」で散逸したエネルギーを回復し、使用可能な仕事を行うことで、時計の方向を反転させ、「若返る宇宙」を生み出すには、「創造的な行為、または同様の力を持つ行為」が必要になると推測した。[ 9 ] [ 10 ]この出版物から、ケルビンは熱的死のパラドックス（ケルビンのパラドックス）も導入した。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ことから、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、宇宙が無限に古いものではないという経験的証拠とみなすことができる。[ 11 ] [ 4 ]
トムソンの1852年と1862年の論文に続く数年間、ヘルムホルツとランキンはともにトムソンにその考えとパラドックスを認めたが、トムソンが宇宙は「熱的死」で終わり（ヘルムホルツ）、それが「すべての物理現象の終焉」（ランキン）になると主張したという見解を発表することで、彼の論文をさらに深く読み込んだ。[ 6 ] [ 12 ]
宇宙の最終状態に関する提案は、その最終的な運命に関する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てきた。理論上の「開いた」または「平坦な」宇宙が無限に膨張し続ける場合、熱的死またはビッグリップが最終的に発生すると予想される。[ 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く。しかし、宇宙定数が正の場合、温度はゼロでない正の値に漸近し、宇宙はそれ以上の仕事が不可能な最大エントロピーの状態に近づく。[ 14 ]
熱力学的熱死は古典物理学の概念ですが、量子物理学にも拡張されています。熱力学的エントロピーが最大値に達した後でも、量子回路の複雑さなどの他の量は増加し続け、最終的には最大値に達します。[ 15 ]
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星、銀河、銀河団に集中しており、今後もずっとそうあり続けると想定されています。したがって、宇宙は熱力学的平衡状態にはなく、物体は物理的な仕事をすることができます。[ 16 ] :§VIDホーキング放射による、およそ銀河質量1つ分（10¹¹太陽質量）の超大質量ブラックホールの崩壊時間は10¹⁰⁰年のオーダーであり、[ 17 ]少なくともその時間まではエントロピーが生成される可能性があります。宇宙のいくつかの大きなブラックホールは、銀河の超銀河団の崩壊中に、おそらく10¹⁴太陽質量まで成長し続けると予測されています。これらでさえ、最大10¹⁰⁶年の時間スケールで蒸発します。[ 18 ]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なガスで構成されると予想されます。[ 16 ] :§VIA非常に希薄な物質しか残っていないため、宇宙の活動は劇的に衰退し、エネルギーレベルは極めて低く、時間スケールは極めて長くなります。推測では、宇宙は第2のインフレーション期に入る可能性があり、あるいは現在の真空状態が偽の真空であると仮定すると、真空はより低いエネルギー状態に崩壊する可能性があります。[ 16 ] :§VEまた、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。[ 16 ] :§VID
長い時間をかけて、ポアンカレ再帰定理[ 19 ]、熱ゆらぎ[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 、およびゆらぎ定理[ 23 ] [ 24 ]を介して、自発的なエントロピー減少が最終的に起こる可能性があると仮説が立てられている。これを通して、量子ゆらぎと量子トンネル効果により、別のビッグバンが現在の宇宙に似た新しい宇宙を約100万年かけて生成する可能性がある。年。[ 25 ]
マックス・プランクは、「宇宙のエントロピー」という表現は正確な定義が不可能であるため意味がないと書いた。[ 26 ] [ 27 ] 2008年にウォルター・グランディは、「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傲慢であり、宇宙とその主要な構成要素は存在全体を通して平衡状態になったことがないため、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」と書いた。[ 28 ]ラースロー・ティサによれば、「孤立系が平衡状態にない場合、それにエントロピーを関連付けることはできない」。[ 29 ]ハンス・アドルフ・ブッフダールは、「宇宙を閉じた熱力学系として扱うことができるという全く正当化できない仮定」について書いている。[ 30 ]ジョヴァンニ・ガラヴォッティによれば、「平衡状態にない系、たとえ定常状態であっても、エントロピーの普遍的に受け入れられた概念はない」。[ 31 ]非平衡状態のエントロピーの問題について一般的に議論する中で、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ます。「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ます。」[ 32 ]ピーター・ランズバーグの意見では、「3つ目の誤解は、熱力学、特にエントロピーの概念を、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す。... これらの質問にはある種の魅力がありますが、答えは推測にすぎません。」[ 33 ]
2010年のエントロピー分析では、「一般的な重力場のエントロピーはまだ知られていない」とし、「重力エントロピーを定量化することは難しい」と述べています。この分析では、推定に必要ないくつかの仮定を検討し、観測可能な宇宙はこれまで考えられていたよりもエントロピーが大きいことを示唆しています。これは、この分析が超大質量ブラックホールが最大の寄与者であると結論付けているためです。[ 34 ]リー・スモーリンはさらに、「宇宙を熱平衡から外すために重力が重要であることは長い間知られてきました。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されるにつれて、ますます構造化され、不均質になります。」と述べています。 [ 35 ]この見解は、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、非平衡定常状態にとどまることが予想される。エントロピーはある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、これは熱力学第二法則に矛盾しない。[ 36 ] [ 37 ]
宇宙の熱的死の原理の発見は、宇宙における人間の位置づけに関する哲学的再評価につながった。1856年、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、それが人間に道徳的な運命を全うすることを強いるものだと示唆した。1875年の著作『救済の哲学』が汎神論の哲学と関連付けられているもう一人の哲学者フィリップ・マインレンダーは、予想される宇宙の熱的死を「人類にとっての異なる救済の運命、すなわち苦しみの終わり」と見なした。[ 38 ]
アイザック・アシモフの1956年の短編小説『最後の質問』では、人類は時代を超えて、宇宙の熱的死をいかに回避できるかという疑問を繰り返し抱いてきた。
1981年のドクター・フーのエピソード「ロゴポリス」で、ドクターはロゴポリス人が宇宙に蓄積されたエントロピーを他の宇宙に排出するための通気口（「帯電真空エンボイトメント」、略して「CVE」）を作り、我々の宇宙の終焉を遅らせていることに気づく。ドクターは「フルサークル」で、知らず知らずのうちにそのような通気口を通り抜けることになる。
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、宇宙のエントロピーに対抗し、宇宙の熱的死を食い止めるために、何千年にもわたって魔法少女のエネルギーを収穫してきた異星人種族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種族に出会う。彼らは宇宙の最終的な熱的死を知り、その必然性ゆえに他のすべてを無意味だと考えるようになり、未来への希望も生きる意欲も失ってしまった。
ジーリー・シークエンス全体の筋書きは、フォティーノ鳥たちが恒星が白色矮星になる速度を加速させることで、宇宙の熱的死を早めようとする試みに関するものである。
2019年のビデオゲーム『Outer Wilds』には、宇宙の熱的死という概念や、前の宇宙が熱的死を経験すると、次の宇宙はビッグバンのサイクルを繰り返すという理論など、いくつかのテーマが扱われている。
「不朽の特異点」[ 39 ]は、モバイルゲーム「ドールズフロントライン 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、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ものです。このシミュレーションでは、熱的死の影響の代わりとして、ニューラルクラウドのウイルスエンティティの模倣であるエントロピックスを使用しています。
2024年にリリースされたビデオゲーム拡張パック「Destiny 2 Lightfall」では、ウィットネスと呼ばれる敵対勢力が宇宙のエントロピーを排除しようと企てます。その目的は、永遠に静止した状態の宇宙を創造することです。
重力結合の最大規模（例えば銀河の超銀河団）を想定しているため、ブラックホールの形成は最終的に、質量が最大 10
14
M
☉
のブラックホールで終了し、ブラックホールがそのエネルギー範囲すべてを放射し尽くすまでの時間スケールは、
最大 10
14
M
☉のブラックホールで 10
106年になります。
この本は1897年から1964年までに11版を重ね、今なお古典熱力学に関する最も権威ある解説書であり続けている。
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