熱は「カロリック」という物質である」という「常識」はいかに覆されたか：カロリック説から熱運動説へ
熱の正体とは？ かつて信じられた「カロリック」という物質
私たちは日常生活で、熱いものが冷たいものに触れると温度が均一になる現象や、物をこすると熱くなる現象など、「熱」を当たり前に経験しています。熱はエネルギーの一形態であると現代では理解されていますが、科学が発展途上だった時代には、その正体について様々な説が提唱されていました。中でも、18世紀後半から19世紀初頭にかけて多くの科学者に支持されたのが、「カロリック説」と呼ばれる考え方です。
カロリック説では、「熱」とは「カロリック」という非常に軽くて目に見えない、特別な流体のような物質であると説明されました。まるで水が低いところに流れるように、温度の高い物体から温度の低い物体へカロリックが流れ込むことで、温度が均一になると考えられたのです。また、物が燃えるときには、物体の中に含まれていたカロリックが放出されると考えられました。この説は、熱が移動する現象や、物体を加熱すると膨張するといった様々な現象をうまく説明できるように見え、当時の科学者にとっては非常に魅力的な「常識」として受け入れられていました。
なぜカロリック説が広く信じられたのか
カロリック説が有力だった背景には、当時の科学的な知見や技術の限界がありました。18世紀の化学は、フロギストン説（燃焼によって「フロギストン」という物質が放出されるという考え）に代表されるように、目に見えない流体や物質を仮定することで様々な現象を説明しようとする傾向がありました。カロリック説も、この時代の物質観と親和性が高かったのです。
また、異なる物質を温めるのに必要な熱量が違うこと（熱容量）や、物体が状態変化する際に吸収・放出される熱（潜熱）なども、物体がカロリックを蓄えたり放出したりすると考えることで、比較的うまく説明できました。熱量を測る技術も発展しつつあり、「カロリー」という言葉の語源も、このカロリックに由来すると言われています。
このように、カロリック説は当時の観測事実の多くを合理的に説明できるように思われたため、広く科学者の間で「熱の常識」として受け入れられていったのです。
「常識」への疑問：摩擦熱とエネルギー保存則
しかし、カロリック説には説明が難しい現象もありました。その代表的なものが「摩擦熱」です。例えば、金属を削ったり、木材をこすったりすると熱が発生します。カロリック説では、これは物体の中に含まれていたカロリックが摩擦によって絞り出されるか、物体同士が接触することで流動性が高まりカロリックが放出される、と考えられていました。
しかし、1798年、アメリカ出身でバイエルン王国に仕えていたランフォード伯爵（ベンジャミン・トンプソン）は、大砲の穴あけ加工の際に発生する莫大な熱量を観察し、カロリック説に強い疑問を投げかけました。ドリルの刃が金属に触れることで、大量の熱が発生し続けるのですが、もし熱がカロリックという物質なら、加工を続けるにつれて物体の中のカロリックが尽きて熱の発生は止まるはずです。しかし実際には、作業を続ける限り、無限に熱が発生するように見えました。ランフォードは、この熱は「運動」によって生まれるものではないか、と示唆したのです。まるで、ドリルが回転し続ける「運動」が、熱という別の形に変わっているかのように見えました。
さらに決定的な証拠は、19世紀半ばにかけてジュリアス・ロバート・マイヤー（ドイツ）や特にジェームズ・ジュール（イギリス）らによる熱と仕事（力学的エネルギー）の関係を探る精密な実験によってもたらされました。ジュールは、おもりを落下させることで水車を回し、水をかき混ぜる実験を繰り返し行いました。これは、おもりの重力による「仕事」が、水をかき混ぜるという「運動」になり、その結果として水温が上昇する、つまり「熱」が発生する実験です。
ジュールは、行った仕事の量と発生した熱量の間に、常に一定の比例関係があることを発見しました（熱の仕事当量の発見）。これは、仕事と熱が相互に変換可能であり、どちらも「エネルギー」という、形を変えうるが量は保存される何かであることを強く示唆しました。もし熱が「カロリック」という保存されるべき物質であれば、仕事によって新たに「カロリック」が生み出されるというのは考えにくいことでした。これらの実験結果は、熱が単なる物質ではなく、運動や仕事と等価な、より根源的な何かの形であるという新しい理解へと科学者たちを導いていきました。
熱運動説の確立へ
ジュールの実験などによって熱がエネルギーの一形態であることが明らかになる一方、なぜ熱が移動したり、物が温まると膨張したりするのか、そのミクロなメカニズムの説明が必要でした。ここで登場したのが、「分子運動論」です。
ルドルフ・クラウジウス（ドイツ）、ジェームズ・クラーク・マクスウェル（イギリス）、ルートヴィッヒ・ボルツマン（オーストリア）といった物理学者たちは、物質は目に見えない多数の分子や原子からできていると考え、これらの微粒子が常にランダムに運動しているという理論を展開しました。そして、この微粒子のランダムな運動の激しさこそが、その物質の「温度」であり、微粒子の持つ運動エネルギーの総和が「熱エネルギー」であると提唱したのです。
温度が高いとは、構成する分子や原子が激しく運動している状態であり、温度が低いとは、分子や原子の運動が比較的穏やかな状態である、と説明されました。熱いものと冷たいものを接触させると、運動が激しい分子が運動が穏やかな分子に衝突し、エネルギーをやり取りすることで、やがて全体の分子の運動エネルギーが均一になる（温度が等しくなる）、つまり熱が移動するという現象が、分子の衝突とエネルギー移動として見事に説明されたのです。
この「熱運動説」は、カロリック説では難しかった摩擦熱の発生（摩擦という仕事が分子の運動エネルギー増加として現れる）や、気体の圧力（壁に衝突する分子の運動が圧力として現れる）など、様々な現象をより統一的に、そして定量的に説明することができました。エネルギー保存則の確立と分子運動論の発展は、カロリック説という旧来の「常識」を完全に覆し、熱を「物質」ではなく「分子の運動エネルギー」として捉えるという、現代につながる科学的な理解を確立していったのです。
現在の理解と科学的知識の変遷
現代の物理学では、熱は物質を構成する分子や原子のランダムな運動エネルギーの総和であるという熱運動説の考え方が基本となっています。温度は、その運動の激しさを示す指標であり、絶対零度では分子の熱運動は停止します。熱力学という分野では、熱と仕事、エネルギーの関係がより詳細に研究されており、エネルギーは形を変えるだけで全体の量は変わらない「エネルギー保存則」や、エネルギーが散逸して利用できなくなる方向へ不可逆的に変化する傾向を示す「エントロピー増大の法則」などが確立されています。
カロリック説が「熱は物質である」という、私たちの直感に近い、ある意味で素朴な「常識」だったのに対し、熱運動説は、目に見えない微粒子の運動という、よりミクロな視点から熱の正体に迫るものでした。カロリック説が当時の多くの現象を説明できたことは確かですが、より精密な実験データや、他の物理現象との整合性を追求する過程で限界が露呈し、最終的に分子運動論という新しいパラダイムに取って代わられたのです。
まとめ：誤りを訂正し、より深い理解へ
熱の歴史におけるカロリック説から熱運動説への転換は、科学がどのように進歩していくのかを示す良い例です。一見説得力のある「常識」であっても、精密な観察や実験によって疑問が投げかけられ、新しいデータや理論が登場することで、その「常識」が覆され、より根源的で統一的な理解へと更新されていくのです。
カロリックという仮想的な物質を考えることで熱現象を理解しようとした時代から、熱をエネルギーの一形態、そして物質を構成する微粒子の運動として捉える時代へ。この大きな変遷は、科学的知識が固定されたものではなく、常に批判的な検証にさらされ、より確かな事実に基づいて修正され、進化していくダイナミズムを私たちに教えてくれます。私たちの身近な現象である「熱」の理解が、これほどまでに大きく変わってきた歴史を知ることは、現代の科学的「常識」もまた、将来さらに深い理解によって更新される可能性を秘めていることを示唆しているのかもしれません。