オンサーガーの相反定理の概要と物理学的背景

オンサーガーの相反定理（Onsager reciprocal relations）は、非平衡熱力学において、流れと力の間の線形関係を示す係数（輸送係数）の間に成立する基本的な関係式です。物理学者のラース・オンサーガーによって提唱され、のちにノーベル化学賞を受賞する基礎となった業績の一つです。

概要

非平衡状態にある系において、熱の移動や物質の拡散、電流などの「流れ（フラックス）」は、温度勾配や濃度勾配、電場などの「駆動力（熱力学的力）」によって引き起こされます。多くの系において、流れと駆動力が十分に小さい範囲では、両者は線形関係（線形非平衡熱力学の領域）で結ばれています。

オンサーガーの相反定理は、ミクロな可逆性（時間反転対称性）を背景として、異なる物理現象の間を結ぶ係数が対称になることを示しています。例えば、温度勾配によって電気が生じる現象（ゼーベック効果）と、電流によって熱が移動する現象（ペルティエ効果）の間にある係数の対称性がこれに該当します。

物理学的背景

この定理の導出においては、統計力学的なゆらぎの理論と微視的な運動方程式の時間反転対称性が重要な役割を果たしています。巨視的な非平衡状態の崩壊過程が、平衡状態周辺での微視的なゆらぎの減衰過程と統計的に同じ従い方をするという「仮説（ゆらぎの回帰仮説）」に基づき証明が行われます。

応用分野

オンサーガーの相反定理は、物理学、化学、工学など、さまざまな非平衡系を扱う分野に応用されています。熱電効果、多成分系の拡散、流体力学における諸現象の解析などにおいて、理論的な基礎として利用されています。