物が冷える・温まる速さには限界、量子力学が決める「最短時間」をウィーンなどのチームが証明

オーストリア科学アカデミーの量子光学・量子情報研究所(IQOQI Vienna)などのチームが、新しい証明を示した。物が周りの温度になじむまでの時間には、量子力学が決める下限があるという。成果は2026年9月24日、物理学の学術誌「Nature Physics」に載った。

何が分かったのか

熱いものが冷めたり、冷たいものが温まったりして、ある温度で落ち着いた状態を「熱平衡」と呼ぶ。冷蔵庫に入れた飲み物が、やがて庫内と同じ温度になるのもその例だ。

研究チームは、熱平衡にするのにかかる時間τ(タウ)が、τ ≥ τPl/2 を満たすことを示した。τPl = ℏ/(kBT) は「プランキアン時間」と呼ばれる。ℏ(換算プランク定数)とkB(ボルツマン定数)は自然の決まった数で、Tは目標の温度だ。最短時間は温度と2つの定数だけで決まり、温度が低いほど長くなる。

ごく低い温度では、物はいちばん低いエネルギーの状態(基底状態)に近づく。このときの下限はℏ/Δに変わる。Δは、基底状態とその次の状態とのエネルギーの差だ。

どうやって確かめたか

実験ではなく、数式での証明と計算機での計算だ。研究チームは、考えの上の「熱平衡化マシン」を定めた。量子力学に従うことのほかは、大きさにも物とつなぐ強さにも制限がない装置で、周りの環境もすべてその一部とみなす。

ただし、物のエネルギーの決まり方(ハミルトニアン)が前もって分かれば、特別な仕掛けで熱平衡の状態をごく速く作れる。そこで、ハミルトニアンが違う物にも、同じ手順でそれぞれの熱平衡を作れることを条件にした。

物が違えば、行き着く熱平衡も違う。装置は決まった時間の中で、違う結果を出し分けなければならない。ところが量子力学では、決まった時間の中で、結果どうしをどこまで見分けられるようにできるかに限りがある。ここから下限が出てくる。

バルセロナ自治大学のマルティ・ペラルナウ＝リョベ氏は「鍵となる考えは、思いがけない分野から来た。量子計測だ」と話す。量子計測は、量子力学を使ってごく小さな違いを測る研究だ。チームは、2つのハミルトニアンの組について、この下限ちょうどの速さで熱平衡にできる装置も示した。IQOQI Viennaのパオロ・アビウーゾ氏はこう話す。「量子コンピューターでも、量子力学に従うどんな装置でも、物をこれより速く熱平衡にはできない」

冷蔵庫の冷え方との関係

この下限は、熱の受け皿や仕組みを問わない。一方で、論文と発表は、熱が缶や瓶を通って伝わる速さ(熱伝導)や、庫内の空気が動いて熱を運ぶ働き(対流)は扱っていない。実際の冷え方は、この下限より長くかかることはあっても、短くはならない、という意味の限界だ。氷水や塩水で早く冷やす方法などの話も、論文には出てこない。

日本との関係

チームには、ウィーン工科大学、スペインのバルセロナ自治大学、スイスのジュネーブ大学の研究者も加わった。日本の研究機関は加わっていない。論文は、誰でも無料で読める形(オープンアクセス)で公開されている。

まとめ

IQOQI Viennaなどのチームは、物を熱平衡にする時間に、量子力学が決める下限があることを証明した。下限は温度と2つの自然の定数だけで決まる。チームは、大きな物で下限がどう現れるかや、現実の熱の受け皿がどこまで近づけるかを、今後の課題に挙げている。