いちばん低い温度がマイナス273℃だと、どうやって分かったの？
― 誰もそこまで冷やせないうちに、空気の縮み方から割り出されました

温度には、上はいくらでもあるのに、下には行き止まりがあります。マイナス273.15℃、「絶対零度」です。おもしろいのは、この数字が見つかったのは、人類がそこまで冷やせるようになるずっと前だったことです。手がかりは、冷やすとしぼむ風船と同じ現象でした。

手がかりは、2つだけでした

つまり、実際に冷やしたのではありません。測れる範囲の「傾き」から、行き止まりの場所を読み取ったのです。順番に見ていきましょう。

空気の縮み方を測った人たち

最初にこの考えに近づいたのは、フランスのアモントンです。1702年ごろ、空気を閉じこめた温度計で、温度と空気の押す力の関係を調べました。その傾きから、押す力がなくなる温度はマイナス240℃ほどと見積もったとされています。

およそ80年後、同じフランスのシャルルが、いろいろな気体を温めて体積の変わり方を調べました。シャルルは、水素の気球で初めて空を飛んだ人としても知られています。ただ、結果を論文にはしませんでした。

1802年、ゲイ＝リュサックが、より丁寧な測定を発表します。驚きは、気体の種類によらず、ふくらむ割合がほぼ同じだったことです。0℃から100℃まで温めると、どの気体も体積が約1.37倍になりました。

図1を見てください。右上の実線が、実際に測れた0℃から100℃の範囲です。この直線を左下へのばした点線は、マイナス273℃で体積ゼロの線にぶつかります。つまみで温度を変えて、左上の筒の中の空気がどう縮むか確かめてみてください。

「体積ゼロ」の本当の意味に気づいた人

ところが、ここに困った点がありました。本物の空気は、マイナス273℃に届く前に液体になってしまいます。体積がゼロになる場面は、実際には決して来ません。では、あの点線の行き止まりは、ただの計算上の数字なのでしょうか。

答えを出したのは、イギリスのウィリアム・トムソン、のちのケルビン卿です。1848年、彼は温度の意味そのものを考え直しました。そのころ、熱の正体は「物の中の小さな粒の動き」だという考えが広まりつつありました。

図2を見てください。気体の粒は、いつも飛び回って壁にぶつかっています。温かいほど速く動き、壁を強く押し広げます。冷やすと動きがにぶり、押す力が弱まって縮みます。つまり点線の行き止まりは、粒の動きがいちばん小さくなる温度です。止まっているより遅くは動けません。だから、それより下の温度はないのです。

トムソンは、この行き止まりを出発点にした新しい温度の目盛りを提案しました。いまの「ケルビン」という単位です。マイナス273.15℃を0ケルビンとし、1目盛りの幅は1℃と同じにします。ふつうの部屋の温度は、およそ300ケルビンになります。

答え合わせは、100年がかりでした

計算で行き止まりが分かると、今度は「どこまで近づけるか」の競争が始まります。1877年に酸素、1898年には水素が液体にされました。1908年、オランダのカマリング・オンネスがヘリウムを液体にし、マイナス269℃に届きます。

そこまで冷やしても、気体は予想どおりの割合で縮み、行き止まりの位置は動きませんでした。紙の上の点線が、本物だったのです。オンネスはその3年後、冷やした水銀の電気抵抗が突然消える「超伝導」も見つけました。

いまでは、実験室で1度の10億分の1ほどまで近づけるようになりました。それでも、ぴったり0にはできません。近づくほど、熱を奪う手段そのものが効かなくなっていくからです。

まとめ

絶対零度は、そこまで冷やして見つけた温度ではありません。0℃から100℃のあいだで気体が縮む「傾き」を正確に測り、その直線をのばして見つけた温度です。のちにその意味が「粒の動きがいちばん小さくなる点」だと分かり、100年後に実験が追いつきました。

誰もたどり着けない場所を、人は先に「測って」いた。
空気が縮むまっすぐな線が、その場所を指していた。

宇宙の寒さの正体は「宇宙は寒いって本当？」、熱を外へ運んで冷やすしくみは「冷蔵庫は、なぜ部屋を暖めるの？」で読めます。手の届かないものを工夫して量った話なら「地球の重さは、どうやって量ったの？」もどうぞ。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。歴史上の年代や測定値には資料によって幅があります。液体窒素などの極低温の物質は、専門の設備と指導のもとでのみ扱ってください。