流体力学の理論が21世紀に入る

ホーム流体力学の理論が21世紀に入るコメント記事を保存後で読む共有Facebookコピーされました！リンクをコピーEメールポケットReddit Ycombinatorコメントコメント記事を保存後で読む後で読む流体力学流体力学の理論が21世紀に入るチャーリー・ウッド著2026年8月17日1800年代から2000年代初頭にかけて、物理学者は流体の挙動を理解するために同じ理論を使用していました。今、現代的な洞察を用いて、彼らは流体を根本から再定義しました。 コメント記事を保存後で読むDeposit Photos/Alamy 20世紀後半、概念的な津波が物理学を席巻しました。私たちの世界が分子の微視的な世界から、さらに微視的な素粒子（そしてさらに奇妙なもの）の世界から現れるという発見は、物質の理論の書き換えを引き起こしました。しかし、この革命は流体には及びませんでした。それらを支配する方程式は、19世紀に最初に開発された単純で古い形式、ナビエ・ストークス方程式のままでした。 ナビエ・ストークス方程式は、流体がどのように流れ、渦巻くかを予測する上で非常に成功しています。しかし、それらは物質を構成する微視的な粒子の群れの存在を説明できません。今、物理学者はそれを説明できる理論を持っています。それは、20年かけて流体力学の理論を根本から再構築しようとした努力の成果です。その過程で、物理学者は対称性として知られる基本的な特性に基づいて、流体であることの意味を定義する全く新しい方法を考案し、ナビエ・ストークス方程式が対称性の結果であることを示しました。これにより、方程式がその形式をとる理由が説明されます。 ナビエ・ストークス方程式の起源を理解することで、研究者はそれを超えて、流体であることの意味を再定義し、微視的な粒子の運動に由来する新しい振る舞いを予測する方法を見つけました。皮肉なことに、流体を微視的な世界の産物として理解する道は、現実世界のいくつかの最も大きなスケールを考えていた物理学者によって切り開かれました。流体を現代の時代にもたらすには、ブラックホールや宇宙全体を研究する研究者からの洞察が必要でした。 流体の夜明け 何世紀にもわたり、科学者は流体の基本を理解してきました。1750年代、数学者のレオンハルト・オイラーは、ニュートンの運動の第二法則（F = ma をもたらすものと同じ法則）を液体の運動を予測するために適応させました。オイラーの方程式は、「完全な」流体、つまり粘性（ある種の固有の粘着性）がないために流れが永遠に続く流体に対して完璧に機能します。 1800年代初頭、クロード＝ルイ・ナビエとジョージ・ガブリエル・ストークスはオイラーの方程式をアップグレードしました。新しいナビエ・ストークス方程式は、完全な流体でもそうでない流体でも扱うことができました。それらは、インク滴がコップ一杯の水に広がるように、ある流体が別の流体に拡散する様子や、流体（技術的には流体である空気を含む）が摩擦を経験する様子を扱うことができました。 ジョージ・ガブリエル・ストークス（左）、アイルランドの数学者兼物理学者、クロード＝ルイ・ナビエ、フランスのエンジニアは、1800年代に流体力学の理論を開発しました。Archivio storico dell’Accademia delle Scienze; Public Domain 今日、物理学者やエンジニアはナビエ・ストークス方程式を使用して、航空機の翼やヨットのプロペラを設計し、ハリケーンが上陸する場所を予測し、気候変動が干ばつのリスクをどのように増加させるかをモデル化し、溶岩の流れ、灰の雲、さらには星の内部の挙動を予測しています。彼らはまた、オイラー、ナビエ、ストークスが理解していた以上のものがあることを知っています。 ナビエ・ストークス方程式は、流体を連続的な物質であり、どれだけズームインしても完全に滑らかに流れると仮定しています。しかし実際には、流体は分子や原子の集合体です。ズームインすると、この粒状の性質により、流れに小さな乱れがあることに最終的に気づきます。これらの乱れは、古典的な流体方程式では切り捨てられています。 「ナビエ・ストークスは非常に近似的なものです」と、マサチューセッツ工科大学の物理学者マイケル・ランドリーは述べています。「正確な方程式ではありません。」 このように、私たちの流体力学の理論は例外です。1900年代、私たちは世界をより小さく、より小さなスケールで解明するにつれて、物理学者は原子などの存在を考慮に入れるために、多くの物質理論を改訂しました。新しい理論も近似でしたが、すべての原子の運動を追跡することは不可能だからです。しかし、何十年にもわたって、物理学者は理論を書き直し、より原子に優しい方法で再導出する方法を見つけました。 1970年代、コーネル大学の物理学者ケネス・ウィルソンは、すべての断片を収集し、1つの数学的なパッケージにまとめました。ウィルソンは、厳密な計算により、最も小さなスケールの影響が私たちのレベルにどのようにわずかな方法で現れるかを示しました。彼は、効果的な場の理論と呼ばれる、高レベルの理論を構築するための全く新しい方法を開発しました。これは、物理学の多くのための新しい基盤を形成することになります。この業績により、彼はノーベル賞を受賞しました。すべては磁石から始まりました。 物質よりも対称性 1960年代以降、物理学者は金属の一般的な特性について長年悩んでいました。金属が冷却されると、その原子は最終的に整列し、磁化を引き起こします。不思議なことに、この集合的な整列は、金属が鉄、ニッケル、コバルト、または他の材料であっても、常にほぼ同じ速度で発生します。ウィルソンのアプローチは、最終的にその理由を示すことになります。鍵は、材料の対称性に注目することでした。 コーネル大学の物理学者ケネス・ウィルソンは、1982年にノーベル物理学賞を受賞しました。Keystone Pictures USA/ZUMAPRESS 対称性とは、変化しても違いがない性質と考えることができます。正方形にはいくつかの対称性があります。90度回転させても、誰も気づきません。円はより多くの対称性を持っています。結果に影響を与えることなく、好きな角度で回転させることができます。ウィルソンは対称性を使用して、システムをズームインおよびズームアウトする際に、物質を記述する数学がどのように変化するかを正確に計算しました。彼は2段階のプロセスを概説しました。最初のステップは、理解している最も微視的なレベルでのシステムの対称性を特定することです。例えば、磁石を考えてみましょう。それらの原子はある種の格子状に配置されており、空間の基本的な連続対称性を破っています。（格子上で1つ移動させると、同じように見える必要があります。）原子はまた、任意の方向に回転できる自由度を持っています。これは別の対称性です。このような対称性により、理論に含まれるべき数学的項が正確に決定されます。 2番目のステップは、マクロレベルに向かってズームアウトすることです。ウィルソンの数学的機構は、ズームアウトするにつれて、理論の各項が成長するか縮小するかを教えてくれます。彼が見つけたのは、ズームアウトするにつれて、ほとんどの項がほぼゼロに縮小することでした。これは、ズームアウトするにつれて、数学的な視界がぼやけるという事実に関連しています。個々の原子や少数の原子のグループに関連する詳細は、気にするには小さすぎます。広範な傾向を追跡する項のみが生き残り、磁気に関する短く甘い理論、つまり効果的な場の理論に到達します。これは、ほとんどすべての原子の詳細から切り離されています。 「これがウィルソンの理解の力です」とランドリーは言います。「答えに直接スキップできるのです。」 Wavelike Kelvin-Helmholtz clouds illustrate that vastly different substances act like liquids. Holly Reynolds この機構により、ウィルソンは多くの磁石が同じ速度で磁化される謎を解きました。ズームアウトするステップは、原子が立方体または四面体に配置されていても、すべての磁石が同じように見える時点を通過します。重要なのは、原子が任意の方向に回転できる対称性を持っていることです。（例えば、原子が平面内で回転するように固定されている磁石は、異なる速度で磁化されます。）ウィルソンの仕事はまた、磁化が発生する温度のようないくつかの特性が、同じスピン対称性を持っていても、磁石ごとに大きく異なる理由を明らかにしました。これらの特性は、生き残った少数の項のサイズに関連しています。対称性は、大きなままの項の全体的な形状を教えてくれますが、