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常識破りのボール
ボールが壁にぶつかって、はね返るとき速度はどうなるか?

そう、速度は始めのスピードより、遅くなってはね返る。これはなぜか?はね返るとき、エネルギーの一部が音や熱になってしまい、はね返る時に、エネルギーの量が少なくなるからである。

ところが、ぶつけた速度よりも速く跳ね返る「常識破り」のボールを作れる可能性があることを、中央大学の国仲寛人助教らが計算機シミュレーションで示した。

その理由は、ボールの持つ熱がボールの運動エネルギーに変わって速度を増すという。熱力学の根本に迫る現象だという。米物理学会誌に発表し、注目論文として取り上げられるなど話題になっている。

エネルギー保存の法則
そんなことが可能なんだろうか?ゴルフボールも野球のボールも、ぶつけた速度よりも跳ね返ってくるときの速度の方が小さくなる。床で弾むスーパーボールも、跳ね上がる高さがだんだん小さくなる。

理想的な反発力を持つ物体なら、ぶつけた速度と跳ね返る速度が等しくなるが、それでも超えることはない、というのが高校の教科書にも書かれた常識だ。エネルギー保存の法則を無視した、こんな現象は考えられない。

ところが、ボールをものすごく小さくして、原子の700倍以下の大きさにした場合に、はね返りの速度が増す場合があるという。その理由は、固体である壁の原子が振動しているからで、ボールが壁に当たるときに、ボールの方に原子が振動していれば、ちょうど飛んできたボールをバットではじき返すように、速度を増してはね返る。

固体の原子が振動するのは、熱エネルギーがあるから。熱力学の第2法則によると、運動エネルギーの一部が熱エネルギーになることは認めているか、熱エネルギーが運動エネルギーに変わることは認めていない。

量子論的熱力学
この不思議な現象は、実験シュミレーションでは20回ぶつけて、速度が増すのはわずか1回。「反発のスピードが増すのは衝突の5%。全体を平均すれば反発スピードの方が、低くなり熱力学第二法則には反しない」という。

不思議なことがあるものだ。この熱力学の法則をくつがえすような、実験予想は面白い。しかし、熱力学について調べてみるとこうした、例外的な現象は他にもある。熱を最終的なエネルギーとしなければ、理屈の上ではあり得る現象である。量子論的熱力学があってもよいのではないだろうか?

そもそも熱力学とは何か?
熱力学とは、物理学の一分野で、熱エネルギーと物質の物理量の関係を表した学問。エネルギー、温度、エントロピー、圧力、体積、物質量または分子数、化学ポテンシャルなどを用いて記述する。熱力学第0法則〜第3法則まである。

熱力学第0法則:温度が一定になることを示している。物体AとB、BとCがそれぞれ熱平衡(熱エネルギーが同等)ならば、AとCも熱平衡(熱エネルギーが同等)にある。
熱力学第1法則:いわゆる、エネルギー保存の法則のこと。閉鎖された空間では外部との物質や熱、仕事のやり取りがない限り、熱(そしてエネルギー)の総量に変化はないということを示している。
熱力学第2法則:エネルギーを他の種類のエネルギーに変換する際、必ず一部分が熱エネルギーに変換されるということ、そして、熱エネルギーを完全に他の種類のエネルギーに変換することは不可能である。
つまり、どんな種類のエネルギーも最終的には熱エネルギーに変換され、どの種類のエネルギーにも変換できずに再利用が不可能になるということを示している。なお、エントロピーの意味は、乱雑さの尺度であり、エントロピー(乱雑さ)は、徐々に増大する。
熱力学第3法則:絶対零度よりも低い温度はありえないことを示している。絶対零度でエントロピーはゼロになる。このとき原子の振動も0になり、電気抵抗が0の超伝導が起きるとされる。電気抵抗は、原子核の熱振動が電子の電導を妨げることで起きる。

熱力学の例外
熱力学第2法則は「世界は乱雑な方向へと動く」という趣旨であるので、生物が進化によって高度で調和の取れた「非乱雑な」ものへと変化していくというのは第2法則に反しているという。

熱力学第3法則では、絶対零度でエントロピーは「0」になり、原子も振動しないはずであるが、絶対零度においても原子が不確定性原理のために静止せずに振動していることがある。これを零点振動という。

不確定性原理とは、エネルギー「0」という基準が一様でなく、あいまいなことをいう。例えばアインシュタインのE=mc2は、質量そのものがエネルギーであることを示しており、絶対温度0=エネルギー0にならない。

ヘリウムが絶対零度近傍でも固化しないのは、この零点振動が原因である(圧力を加えると固化する)。固体でも格子振動という振動が起きている。 

参考HP Wikipedia「熱力学」・東京新聞「跳ねて速度アップ 常識覆すボール熱力学の根本に迫る
 

ゼロから学ぶ熱力学
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エントロピーと秩序―熱力学第二法則への招待
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