ブラウンラチェット（Brownian ratchet）は、熱運動（ブラウン運動）によるランダムな分子運動を利用して、一方向に回転運動を得ようとする理論上の装置です。イギリスの物理学者リチャード・P・ファインマンが『ファインマン物理学』の講義（1963年）で取り上げた思考実験として知られ、エントロピー増大則（熱力学第二法則）やマクスウェルの悪魔に関する議論で重要な役割を果たしています。
装置の構成は大まかに次のとおりです。小さな羽根車（プロペラ）が気体分子の衝突によってランダムに回転し、その回転軸には歯車と爪（ラチェットとポール）が組み合わさっています。爪が一方向の歯のみを噛む構造になっているため、理論上は羽根車がランダムに前向きに回転するときだけ爪が空転せず、後向きに回転するときは爪が歯車をロックして逆転を防ぎます。こうして微視的な熱運動をマクロ的な一方向運動に変換し、仕事を取り出せるように見えます。
しかし実際には、歯車や爪も熱運動を伴う物体であり、同じ温度の環境に置かれれば、爪が歯を噛む際の振動で逆向きの動きを許してしまい、結局は一方向の回転が得られません。もし羽根車側と歯車側で温度差をつければ、温度の高い側から低い側への熱流に伴って有限の仕事が取り出せるものの、これは熱機関の原理と同様であり、熱力学第二法則を破るわけではありません。
ブラウンラチェットの主な意義は、微視的な熱揺らぎを利用して熱力学第二法則に挑戦しようとする思考実験を通じて、「熱的平衡状態では仕事を取り出せない」ことを再確認させ、統計力学的エントロピー概念の普遍性を示した点にあります。また、ナノメカニクスや分子モーター研究の着想源としても注目され、近年では生体分子モーターが類似の原理で効率的にエネルギー変換を行うメカニズム解明に貢献しています。
以上のように、ブラウンラチェットは実用装置ではなく思考実験ですが、熱力学・統計力学の基礎概念を理解するうえで非常に教育的価値が高いモデルです。
【ブラウンラチェットの主な特徴（5項目以上）】 1. 微視的熱運動の利用：気体分子のランダム衝突を原動力として利用するモデル。 2. ラチェットとポール機構：一方向の回転のみを許す機械的な歯車構造。 3. 熱力学第二法則の検証：同一温度環境下では仕事を取り出せず、エントロピー増大則を破らない。 4. 温度差の活用：高温側と低温側に分けることで、熱機関と同様の仕事取り出しが可能。 5. 思考実験としての意義：マクスウェルの悪魔やエントロピー概念の理解を深める教材的装置。 6. ナノメカ・生体モーター研究への影響：分子レベルのエネルギー変換機構のモデルとして応用。
【参考文献・サイト】 1. ウィキペディア「ブラウン運動ラチェット」 https://ja.wikipedia.org/wiki/ブラウン運動ラチェット 2. Feynman Lectures on Physics, Vol.I, Chapter 46 “Brownian Ratchet”（英語） http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_46.html 3. University of Cambridge: “Feynman’s Ratchet” 解説（英語） http://www-thphys.physics.ox.ac.uk/people/Flanders/StatMech/feynman.html 4. 日置晴彦・小林潤「熱力学と統計力学」講義ノート（慶應義塾大学）（PDF） https://www.phys.keio.ac.jp/~hioki/lecture/thermo.pdf 5. 西英裕「ナノスケールの分子モーターと熱力学」シンポジウム資料（2018年） https://www.jps.or.jp/books/publish/sympo2018/03_nishihn.pdf 6. 物理学辞典編集委員会編『物理学辞典』丸善出版、2016年。
