熱力学的な力と重力を統一した新たな概念「有効重力」の誕生~液体が宙に浮く現象を予言する新理論~

2026-02-04 茨城大学

茨城大学の中川尚子教授と、京都大学大学院理学研究科の佐々真一教授の研究グループは、重力と熱流という異なる物理的要因を統一する新概念「有効重力(Effective Gravity)」を提唱する新しい熱力学理論を構築した。本研究では、非平衡状態の安定性を扱う独自理論「大域熱力学」を重力下の気液相共存系に適用し、熱流によって生じる熱力学的な力が重力と拮抗・反転し得ることを示した。その結果、対流などの流れが存在しない静止状態においても、「重い液体が軽い気体の上に浮いて安定する」という直感に反する現象が、熱力学的に最も安定な配置として実現可能であることを理論的に予言した。本成果は、流れのある非平衡系における普遍的な安定性原理を与えるものであり、非平衡物理学の基盤理論として大きな意義を持つ。

熱力学的な力と重力を統一した新たな概念「有効重力」の誕生~液体が宙に浮く現象を予言する新理論~
図 1 左:通常の重力下では液体が下に沈む。右:無重力下で温度勾配を与えると、冷たい側に液体が集まる。

<関連情報>

熱力学の変分原理:重力と熱流を統一する Thermodynamic Variational Principle Unifying Gravity and Heat Flow

Naoko Nakagawa,Shin-ichi Sasa
Physical Review Letters  Published: 3 February, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/bbqy-hptc

Abstract

Predicting the stable phase configuration in a liquid-gas system becomes a fundamental challenge when the stratification favored by gravity conflicts with arrangements induced by heat flow, particularly because standard equilibrium thermodynamics is insufficient in such nonequilibrium steady states. We propose a variational principle based on an extended thermodynamics, called global thermodynamics, to address this state selection problem. Our key finding is that gravity and heat flow effects are unified into a single parameter, “effective gravity” (eff), within this framework. Crucially, the sign of eff determines the stable configuration: liquid is at the bottom if eff>0, and floats above the gas if eff<0. This provides a quantitative tool for the configuration prediction under competing drives.

1701物理及び化学
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