温度と時間は同じもの?

質問

温度と時間は同じもの?

温度と時間は単純に考えると似ていると思います。
温度の場合は、高くなれば分子の運動が活発になる、つまり分子が動けるようになる、また温度が下がれば分子の運動が止まる、そうなると人間の動きも完全に停止しますよね、また原子や分子だけではなく、素粒子のようなもっと小さな世界にも温度という概念があるのでしょうか?、あったとしたらなおさら似ていると思います、

また時間の場合は、進んでいれば分子や素粒子のような小さな世界や、人間も動けるようになる、しかし時間が仮に止まったとしたら、それらの動きも停止する、

単純かもしれませんが、このように考えると、温度と時間は似ていると思うのですが、同じ様なものなのでしょうか?、また熱エネルギーがある様に、無いとは思うのですが、時間エネルギーの様なものがあるのでしょうか、また温度と時間の振るまいの違いは何なのでしょうか？

回答No.8

breakfaster

現在の一般相対論と量子論の帰結として「ホーキング輻射」という、ブラックホールが粒子を出して、最終的には蒸発してしまう可能性が提唱されています。
この理論によれば、輻射の強さから換算したブラックホールの温度は、ブラックホールの質量（エネルギー）に反比例し、
輻射によってエネルギーが失われていけばいくほど温度が高くなり、ついには爆発的に蒸発してしまうと予想されています。
これは普通の温度のイメージと違いますね。

＞ブラックホールを動かしているのは、物質の根本的な運動を司る「時間」でもなければ「温度」でも無いとすると、一体何なのでしょう
ブラックホールの内部の計量（時空のものさし）において時間と空間で立場が逆になるとかありますが、内部のことは外からではわかりません。
上の「ホーキング輻射」で出てくる粒子が、なんらかの情報をもっているかどうかもまだ議論中というところです。
また外からみれば、普通に時間発展を考えることはできます。
ただし外からみて、ブラックホールには毛がない（毛が3本）といい、質量・電荷・角運動量以外の情報は失われるというのがこれまでの定説です。

＞光の速度で時間が止まる
光の時間が止まるわけではありません。普通に空間を伝播するわけですから。
これはローレンツ短縮の話を知ったばかりだとよくある誤解だと思いますが・・・
普通の質量を持つ物質は光速に到達することはできません。
もちろん光速に近ければ時間はゆっくり進みますが、
一般に速度が光速に近い＝エネルギーが高いわけで、温度は高くなりそうです。
（単体で温度は考えられないので大雑把な話としてです）

＞「不確定性原理」
量子力学的な統計力学では、絶対温度が0になる極限で比熱が0に近づいていきます。
これはほんのちょっとの熱で温度が上がってしまうということですから、絶対零度は実現不可能ということになります。

＞負の温度
負の温度というのはあります。が、これは実は「とても熱い」状態です。
ここでは平均エネルギーと関連付けられた温度ではなく、
分配関数（エネルギー分布）と関連付けられた温度で考えてのことです。
温度の定義に関連する話なので詳しくは統計力学を勉強してください。

絶対零度といわなくても、熱的な死（完全な熱平衡）になると個々の粒子は運動していても集団としては変化しない、時間が止まったも同然になると思います。
ただし、そういう状態が訪れるのか、ということについては議論の余地があると思います。

まずは統計力学で温度の定義をきちんとおさえるとよいのではないでしょうか。

回答No.7

moumougoo

物理の時間発展を表すグリーン関数の解析接続して、時間を虚時間にして、ユークリッド化して、統計力学の特性関数である分配関数で考えたりします。そのとき、虚時間が温度の逆数に対応します。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9A%E6%99%82%E9%96%93
ご参考まで

回答No.6

breakfaster

No.2ですが、No.5さんへのコメントをみて、いくつか。

まず、素粒子の温度というのはあります。
何か粒子の集団について、そのエネルギー平均が温度を決めているので、
素粒子や光子の集団について「温度」を考えることができます。
詳しい温度の定義については統計力学の教科書の最初のほうに書いてあると思いますのでそちらをみてください。

たとえば宇宙の温度、というものも考えられています。
ある温度を持った物体は、物体の種類に関係なく一定の光を出します。（鉄を熱すると白く光るような現象です）
これを黒体輻射といい、温度によって光の強度分布が決まります。（これは量子力学ができるきっかけとなった現象でプランクの公式と呼ばれています）
その公式から、はるかかなたから来る宇宙の電磁波（マイクロ波）を測定することで、宇宙の「温度」が現在約2.7Kであるということも分かっています。
このことから、宇宙は昔（といっても１３０億年ぐらい前）はもっと熱かったのが、
膨張とともにどんどん冷えていき、いまのような宇宙になったと考えられています。
（もっと詳しくいえば、単純に冷える一方向ではなく、一時期温度が上がった可能性もあるようですが）
つまり、宇宙の時間と、宇宙の冷却が関連付けられ、どの時点でどのくらいの温度であったかが、宇宙がどう進化してきたかということを知る重要な手がかりになっています。

また、素粒子論の統一理論では、電磁力とその他の核力があるエネルギーになると同じ力になることが予言されていますが、
これも「ある温度になると力が統一される」というように記述されることもあります。
この現象から、宇宙の「相転移」という概念が考えられています。
相転移は、たとえば、温度によって水が氷になったり、水蒸気になったりすることですが、
同様に宇宙においても、温度によって素粒子の状態が変わり、宇宙の様子が変わる、という考え方です。
このように、宇宙の時間的な変化を研究するのに、温度は重要な手がかりになります。

ただし、エネルギーと時間は同じではありません。
むしろ、これは物理学上、対になる概念（専門的には「正準共役量」）となっています。
たとえば、エネルギーというのは、物理的なある量（くわしくは作用）が時間によって変わらない、ということから出てきます。
つまり、強引な言い方になりますが、「エネルギーとは時間と無関係な（不変な）量として定義される」ということです。
ですが、さらにひっくりかえって、量子力学の不確定性原理によれば、「時間の不確定度とエネルギーの不確定度の積は一定以下にならない」となって、
この二つを分離することはできなくなります。
ただしこのときも、逆数の関係ですから、これは同じことにはなりません。
たとえば、原子から出てくる線スペクトルはある幅をもっています。
この幅はその原子（の中の電子）が持つエネルギーの幅（不確定性）からくるのですが、
これは、そのエネルギー状態に電子がいられる時間の平均（その状態の寿命）に反比例します。

相対論の話については、エネルギーの存在が時空の「ものさし」を変えているわけですし、
時間（と空間）のゆがみもまたエネルギーをもつので、（これが一般相対論をややこしくしている理由なのですが・・・）
ここでも関連するといえますが、「関連する」と「同じ」には大きな差があります。
（ただし、「時空」のゆがみであって、時間だけ分離はできません）

このように時間と温度（エネルギー）は密接に関係ありますが、同じとはいえません。
ですが、なぜ、時間だけ特別なのか。時間が「進む」方向とは何なのか、という疑問は、
いまの物理学の究極的な課題のひとつだと思います。
（それが最初の回答の「時間の矢」の話です）
その際に、温度（もっと広くいえば熱的な現象）がそれを解明する手がかりになることは確かだと思います。

お礼

2度のご解答ありがとうございます！

＞素粒子や光子の集団について「温度」を考えることができます

素粒子どころか光子にまで温度の概念があるのですか、驚きました！自分の解釈というか空想になってしまうのですが、光子の温度が絶対零度になったら光すらも止まってしまうということになるのでしょうか、またブラックホールは重力で時間を遅くし、ブラックホールの中心は強力な重力の圧縮で物質が運動できず温度が絶対零度に近いということから、ブラックホールを動かしているのは、物質の根本的な運動を司る「時間」でもなければ「温度」でも無いとすると、一体何なのでしょう、また強力な重力で時間と温度が、遅くなったり、低くなることから、関係は無いと思いますが、光の速度で時間が止まることを考えると、温度も光の速度になると絶対零度になったりして、と思ったのですが、これはちょっとおかしな話しですよね。

＞「相転移」

これは時間と温度の明確な違いですね、例えば、人体が絶対零度で凍結して、止まったように見えたとき、人体の水分は相転移で氷の結晶となり、結晶となった水が細胞を傷つけるから、温度を常温に戻して蘇生しようとしても、ダメージを受けた細胞が完全な元の状態には戻りませんが、一方時間が止まり、人体が停止した場合、水の相転移で氷になるとことはないから、時間をまた進めたとき人体は完全な元の状態で再生しそうですね、それとも時間は、時間なりの止まったときのなにか弊害のようなものがあるのでしょうか。
短絡的かもしれませんが、時間と温度の明確な違いが、見えたような気がしました。

＞「不確定性原理」

温度が絶対零度になっても不確定性原理によって運動が完全に停止することは無いようですね、ということは、もはや温度の司らない運動ということなのでしょうか、また空想になりますが、もし絶対零度より下があったとしたら、値が負になり、時間でいうところの物質が逆の運動をする、ということになったら面白いなと思いました。

＞時間（と空間）のゆがみもまたエネルギーを持つので....
＞ここでも関連するといえますが、「関連する」と「同じ」には大きな差があります。

これは、ブラックホールの強力な重力は時間を遅くする、ということに関連があるのでしょうか、おっしゃる通り「関連する」と「同じ」は大きな違いがあると、ご解答頂いた皆様のお話しから自分自身思いました、時間と温度は、物の運動を司っているという点で似ているといえますし、お互いにとても関連しあっているということも分かりました、短絡的に似ているというだけで、エネルギーそのものの熱と違い、時間はエネルギーが関連しないなどの、違いが分かりました。
ただ、違うということは分かりましたが、逆に、両者の似ている部分をもっと追究したいとも思いました、なので質問の主旨をここからは変えて、「時間と温度の似ている部分はどこまであるのだろう?」にしたいと思いました。

＞なぜ、時間だけ特別なのか.........

物理学の分野でも究極の課題だったのですね。
その際、温度がそれを解く重要な手がかりというのはとても興味深いですね。

詳しいお話しをありがとうございました！

回答No.5

drmuraberg

お気付きの様に、温度と時間の間には独特な関係が有ります。
ただし、これは物理の分野によりますし、現象面での結び付きです。

ある基準温度で、容器中のガス分子の運動を観察してみます。
温度がこの基準温度より下がれば分子の運動は遅くなり、高くなれば
運動は早くなります。
基準温度での運動の様子をビデオで撮り、それをスローで再生すれば
低い温度での運動に相当し、早送りで再生すれば高い温度での運動に
相当します。
つまり、再生速度＝時間軸を変えれば温度の変化に相応するガス分子の
動きが再現できます。

これは、化学反応の分野では活性化エネルギの考えと密接に
関連しています。よく知られている、温度が10℃上がると反応時間が
半分になると言う経験則はこれに基づいています。

高分子（ポリマー、樹脂）の分野では分子運動と変形時間の関係
（レオロジー）の間には「時間―温度換算側」が見出されています。
（例えば下記URL
http://kitnet10.kanazawa-it.ac.jp/researcherdb/gyouseki/GHGAAI_057917.html）

この法則は、樹脂製品の数十年後の機械特性を加速試験で短期間内に
推定する時等に使われます。
時間―温度換算側の様な現象が見られるのは、現象の基底にある
分子等の速度（時間の関数）がまた同時に温度の関数となっているからです。

あくまでも、物理的には温度と時間は独立した物理量です。
敢えて言えば、時間は空間と並ぶ基本的な物理量、温度はそこにある系に
付いて演繹された２次的な物理量というところでしょうか。
物理変数としての時間や空間がエネルギを持つことは有りません。
しかし、空間は無ではなくエネルギで満たされていると言われている
昨今ですから、ひょっとすると時間も単なる連続的な変数では無いなどと
言われる日が来るかも知れません。

エントロピーの式を提唱したBoltzmannは計算過程でエネルギεを離散化して
取扱い、最後はε→０の極限操作をしています。Plankがエネルギεは離散値を
取ると量子仮説を主張する以前です。その頃彼は、時間さえも離散化して取扱う
必要が有るかも知れないと言っていたそうです。

ただ、時間とエネルギの話しは物理に関してはまだ耳にしたことが有りません。
心理学的時間には、エネルギに満ちた時間とガス欠の様な時間が有るように
感じます。

お礼

ご解答ありがとうございます！

詳しいお話しを、ありがとうございました、とても興味深く、また楽しく読ませて頂きました。

＞ある基準温度で、容器中のガス分子の運動を観察してみます
＞基準温度での運動の様子をビデオで撮り、それをスロー再生すれば低い温度での運動に相当し、早送りで再生すれば高い温度での運動に相当します

これは自分の疑問全てを表わしている様に感じました、そこでdrmurabergさんは、詳しいお方だと思い、もしお聞きできれば良いのですが、現在確認できる最小の素粒子に温度という概念はあるのでしょうか?
また温度というのは上記の様な分子レベルでの概念なのでしょうか、化学反応を行う分子よりも、もっと小さな素粒子に、（これは自分でかってに思ったことですが）もし温度の概念がるのならとても興味深いと思います、馬鹿げているとは思いますが、素粒子ということは、光の光子や、存在すら確認されない重力の重力子にまで当てはまることになり、それらが絶対零度になったら、この宇宙全てが完全に止まって、凍結して止まったのか、それとも時が止まったのかすら、わからなくなるんじゃないかと思ってしまいました。
また温度は冷蔵庫や暖房で、上げたり下げたり自由自在ですが、そのようなことは時間には無理だと思いましたが、ブラックホールのようなとてつもない重力の近くでは時間がゆっくり進むらしいので、宇宙の中の温度が高い場所と低い場所があるように、時間も場所によっては違いがあるといえます、このように考えた場合やはり両者は似ています、

＞高分子（ポリマー、樹脂）の分野では分子運動と変形時間の関係（レオロジー）の間には「時間―温度換算側」が見出だされています

やはり温度と時間は密接に関連しあっているんですね、

＞あくまでも、物理的には温度と時間は独立した物理量です

やはり物理的には独立していて違うんですね、

＞物理変数としての時間や空間がエネルギを持つことは有りません。
しかし、空間は無ではなくエネルギで満たされていると言われている昨今ですから、ひょっとすると時間も単なる変数では無いなどと言われる日が来るかもしれません

自分が疑問を持ったきっかけもそこにあるのかも知れません、それは、なぜ温度などの他のエネルギーと違い時間だけ特別扱いされているのだろうという疑問からです、時間にもエネルギーの概念がないのかなと思いました、想像ですが、例えばビックバンの瞬間の直後から、時間が存在したとして、そのとき与えられたエネルギー、仮に時間エネルギーによって、今現在進んでいる時間の原動力になっているとか、時間も光や重力などのように時間として作用する時間子などがあったりしてと勝手に考えていました。

＞ただ、時間とエネルギの話は物理に関してはまだ耳にしたことが有りません

時間とエネルギーは別ものなんですね、でも強力な重力によって、時間の進み方が遅くなるというのは、重力のエネルギーと時間がお互いに作用した結果なのかなと思いました。ということは、エネルギーから時間に対して影響を及ぼすことができる、つまり時間はエネルギーから何らかのエネルギー受け取ったということなのでしょうか、となると時間もエネルギーの一種なのかなと考えてしまうのですが、でもこの自分の考えは物理学から完全に脱線しているかも知れませんね。

新しいことも分かり、自分としてはとても有意義な時間になりましたありがとうございました！

回答No.4

tokiwa-sanroku

物理は詳しくありませんので、参考までに。

　近年、距離の観測に、赤外線、レーザー光の利用が一般的になりましたが、
これらが、大気中を通過する際、「温度」と気圧が速度（「時間」）に影響しますので、
「温度」と「時間」は同じもの？かどうかは分かりませんが、関連してる様にも思います。

お礼

ご解答ありがとうございます！

＞近年、距離の観測に、赤外線、レーザー光の利用が一般的になりましたが、
これらが、大気中を通過する際、「温度」と気圧が速度（「時間」）に影響しますので

とても興味深く思いました、レーザーが大気中を通過する際、大気の分子にその光が吸収され、そしてまた放出されるとき、その分子の温度によって、その光の速度も変わるということだと自分は思ったのですが、ということは温度は、上の条件の場合、光の速度をも変えてしまうということなのですね、驚きました。

温度と時間は互いにとても関連していたのですね。

回答No.3

k_kota

温度と言うのは物質の動きのことです。

そういうことで言うと電流とかと似てる気がします。

時間は違いますね。

時間が流れている状態で初めて温度とかが定義できます。
電流もそうですし、加速度などの力もそうです。

時間が止まればすべてが止まりますが、
温度や電流、運動などはそのようなことはありません。

時間は特別で、それに支配されているものがたくさんあるイメージです。

なので、似ていません。

お礼

ご解答ありがとうございます！

温度は熱い、冷たいという感覚があり、時間は特に何も感じない、という違いがあるくらいで、両者、物の運動を司っているという点では、どこが違うのだろうと思い、分からなくなりましたが、
＞時間が流れている状態で初めて温度とかが定義できます

時間の上に初めて、温度が成り立っていると考えると確かに違いがありますね。

＞時間が止まれば全てが止まりますが

自分は、あまり詳しくないですし間違いかもしれませんが、もし素粒子のような現在確認されている最小の粒子にも温度の概念があるならば、それが絶対零度になれば全てが止まり、時間で止まっているのか温度で止まっているのか分からなくなるような気もしました、

＞時間は特別で、そこに支配されているものが多いイメージです

時間は支配しているものが多く、温度はその中の一部ということですね、確かに、電流を例で考えてみると、かってなイメージですが時間の場合、電流はそのエネルギーを保ったまま止まりそうですが、温度の場合、温度が下がり電流はエネルギーを保て無くなって止まると言うよりも、ポンと消えてしまいそうですね、電流に温度というのも考え難いですが、あったらなおさらそっくりになってしまいます、そもそも時間が、仮に止まったとして、その場合その時のエネルギーはどうなるのでしょう、また疑問が出てきてしまいました。

回答No.2

breakfaster

最初に答えをいうと、温度と時間は違います。

温度は平衡状態にある集団の平均エネルギーに関連する量であり、時間とは違います。

でも、まったく的外れの発想というわけではありません。
「時間の矢」という話があります。
ホーキングやペンローズが議論したらしいですが、
１）宇宙論的な時間の矢
　宇宙の進化の方向、あるいは宇宙が膨張する方向としての時間

２）熱力学的な時間の矢
　エントロピーが増える、つまり熱的な死へ向かう方向としての時間

３）生物的な時間の矢
　生物が生まれ、老い、死ぬ、あるいは人間が感じる時間

物理学の基礎方程式は時間反転に対して対称で、可逆的です。
しかし、世の中は非可逆的に動いています。これが時間が進むという意味です。
上に挙げた３つの時間が現在は一致している。これにはどういう意味があるか、という議論です。
たとえば、宇宙論のパラメータ次第では、ある時点を境に宇宙が収縮に向かう場合があります。
このとき、ほかの２つの矢はどちらを向くか、というような議論です。
ホーキングの著書、あるいはブルーバックスなどを読めば分かると思います。

お礼

ご解答ありがとうございます！

やはり違いがありますね。
全く的外れではない、というのは嬉しいです、また時間と一言で言っても色々な種類が有るんですね、ホーキングの著書やブルーバックスというのは読んだことが無いので、是非読んでみたいと思います。

回答No.1

noname#160321

速度のことを無視していると思います。
(本当はエネルギーの存在形式の議論が必要なのですが)
その話しなら、時間とエントロピーの関係の方が実りのある議論が出来るでしょう。

お礼

ご解答ありがとうございます！

自分は、物理や化学に関することが好きなのですが、なにぶん知識不足なため、あまり難しいことは分からないのですが勉強のつもりで拝見させてもらいました。