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平衡では存在できない「不安定な状態」を熱の流れにより実現 －非平衡熱力学の新理論を支持するシミュレーションに成功－

遠藤 瞳さん（大学院修士課程２年）と、小林 未知数教授（理工学群）は、熱が流れ続ける「非平衡定常状態*１」における相転移*2現象を、独自に開発した「１次元の計算モデル」によって解析し、異なる状態が共存する境界（界面）の温度が、従来の常識である「平衡状態の転移温度」からずれることを明らかにしました。
この成果は、近年提案された新しい熱力学理論「大域熱力学*3（Global Thermodynamics）」の普遍性を強く支持する重要な結果であり、通常は不安定ですぐに消えてしまう状態を熱の流れによって、安定してコントロールできる可能性を示しました。さらに本来は大規模な計算を必要とする解析に、高校数学の微分を拡張したモデル（分数階微分*4）を導入し、高精度なシミュレーションに必要な計算コストを大幅に削減したことも、高く評価されました。
本研究は、2026年６月２日、アメリカ物理学会が発行する権威ある国際学術誌「Physical Review E」に掲載されました。　　　

【ポイント】

  • 熱の流れがあると「相転移の常識」が変わることを発見
  • 平衡では「不安定な状態」を安定に実現できる可能性を示した
  • 非平衡熱力学の新しい理論「大域熱力学」の普遍性を支持
  • 「分数階微分*4」という数学的手法で大規模シミュレーションの難問を解決

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［プレスリリース］平衡では存在できない「不安定な状態」を熱の流れにより実現 -非平衡熱力学の新理論を支持するシミュレーションに成功-

本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（科研費番号：23K22492, 24K00593, 26K07020）の支援を受けて実施されました。

コメント

小林 未知数教授
「水は100℃で沸騰する」という常識を理論的に覆すような大きな成果で、従来は半年から１年を費やしていた先行研究の追試験を１週間程度に縮めたことも高い評価を得ました。今回の研究は、何らかの結果が出ればいいなと遠藤さんに託したテーマであり、こちらがふわっとした指示しか伝えていないのに、遠藤さんが自分で考えて修正し、きれいな計算をしていたので驚きました。今後の活躍が楽しみです。

遠藤 瞳さん
学士の頃から取り組んでいた1次元ハミルトニアン・ポッツモデルのテーマを、Physical Review Eにまとめることができ、大変嬉しく思います。計算がなかなか上手くいかず悩むこともありましたが、小林先生からの的確なアドバイスに何度も助けられ、試行錯誤の末にシミュレーションを成立させることができました。局所平衡熱力学が破綻する様子がデータとしてはっきりと見えたときは、本当に嬉しかったです！
これまで根気強くご指導いただいた小林先生に心より感謝申し上げます。この経験を糧に、今後も様々なことに挑戦していきたいです。

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用語解説

*1）非平衡定常状態
常にエネルギーや物質が外部から流れ込み、外へ出ていっているにもかかわらず、全体としては状態が変わらず安定していることを指す。「平衡状態」が、完全に動きが止まった「静止した安定」であるのに対し、非平衡定常状態は「動き続けているのに安定」しているのが特徴。例えば、熱い場所から冷たい場所へ熱が流れ続けている金属棒の温度分布が一定に保たれている状態などがこれにあたる。細胞の活動やエンジンの燃焼、交通流など、自然界や生命現象の多くはこの状態にあり、現代物理学において最も解明が待たれている重要なテーマの一つである。

*2）相転移（そうてんい）
物質が固体・液体・気体など異なる状態へ変化する現象。

*3）大域熱力学（Global Thermodynamics）
システムの一部（局所）の変化を積み上げるのではなく、システム全体（大域）を一つのまとまりとして捉え、そのエネルギーや物質の振る舞いを記述する新しい理論体系。たとえ内部で激しいエネルギーの流れ（非平衡）があっても、システム全体として貫かれる「普遍的な法則」を明らかにしようとする試みで、これまで個別に研究されていた複雑な現象を、一つの大きなルールで一貫して説明することが可能となる。次世代のエネルギー管理技術やナノテクノロジーの指針としても期待されている。

*4) 分数階微分（ぶんすうかいびぶん）
高校で学ぶ微分を一般化した数学的概念。通常の微分が近くの情報のみを用いるのに対し、分数階微分は遠く離れた場所の影響も取り込むことができる。本研究ではこの性質を利用し、通常は大規模シミュレーションでしか得られない相転移現象を、低計算コストのシミュレーションで再現した。

掲載論文

タイトル：Violation of local equilibrium thermodynamics in one-dimensional Hamiltonian-Potts model
著者：Hitomi Endo and Michikazu Kobayashi
掲載誌：Physical Review E 113, 064109 (2026)
公開日：2026年６月２日
DOI：10.1103/rz4l-krv6

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