[論文レビュー] On the Universality of Mesoscience: Science of 'the in-between'

Jinghai Li, Wenlai Huang+4 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Feb 24, 2013

Origins and Evolution of Life参考文献 31被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、素粒子から宇宙に至るスケールの間の『中間』を統合的に扱う学問として「ミクロ科学（mesoscience）」を提唱する。化学、工学、気象学、天文学の多様な分野を分析することで、競合するメカニズムの『競合における妥協』が、複雑性と多様性の普遍的起源であることが特定され、これがミクロ科学の基盤的原則として確立される。

ABSTRACT

The universality of mesoscales, ranging between elemental particles and the universe, is discussed here by reviewing widely disparate fields and presenting four cases, at differing hierarchical levels, from chemistry, chemical engineering, meteorology, through to astronomy. An underpinning concept, "Compromise in competition", is highlighted between various dominant, but competing mechanisms, and is identified here to be the universal origin of complexity and diversity in such examples. We therefore advance this as a key underlying principle of an emerging science -- Mesoscience.

研究の動機と目的

• ミクロ科学を、微視的および巨視的スケールの間のシステムを統合的に扱う科学的枠組みとして確立すること。
• 異なる科学分野にわたる複雑性と多様性の背後にある普遍的原則を特定すること。
• ミクロスケールのシステムにおける競合するメカニズムが、動的妥結を通じて複雑性が出現することを示すこと。
• 化学、化学工学、気象学、天文学の知見を、一つの概念的枠組みに統合すること。
• 『競合における妥協』を、ミクロスケール現象の新興科学の基盤的原則として位置づけること。

提案手法

• 化学、化学工学、気象学、天文学をカバーする4つの事例研究の体系的レビューを通じて、ミクロスケールのパターンを同定する。
• 支配的だが対立する力が共存し、システムの挙動を形作るという、『競合における妥協』が繰り返し現れるメカニズムとして特定する。
• 素粒子から宇宙に至るスケールの間のミクロスケールとしてのシステムを分析し、スケール依存のダイナミクスに注目する。
• 拡散対反応、対流対放射などの競合するメカニズムが、どのように複雑性を生じさせるかを示す、横断的分野の例を用いる。
• 物理的・化学的・動的プロセスの間のバランスやトレードオフとして、ミクロスケール現象を概念的モデル化する。
• 得られた知見を統合し、階層的レベルおよび科学分野を越えて適用可能な統一的原則として構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる科学分野におけるミクロスケールシステムで観察される複雑で多様な挙動の背後にある共通の原理は何か？
• RQ2 中間スケールにおける競合するメカニズムは、どのようにして出現的複雑性と安定性を生じさせるか？
• RQ3 『競合における妥協』は、化学、工学、気象学、天文学の分野を越えて統一的メカニズムとして機能する可能性はどの程度か？
• RQ4 ミクロスケール領域とは何かを定義するにはどうすればよく、微視的および巨視的現象とはどのように異なるか？
• RQ5 分野を越えて共通する力学的原理に基づいて、『中間』を扱う普遍的科学を確立できるか？

主な発見

• 支配的だが対立するメカニズム間の『競合における妥協』の原則が、ミクロスケールシステムにおける複雑性と多様性の普遍的起源であると特定された。
• 化学反応器から大気システム、宇宙構造に至るまで多様な4つの事例が、この原則に従って一貫したミクロスケール挙動を示すことを示した。
• 本稿では、素粒子から宇宙に至るスケールの間のシステムに焦点を当て、統合的科学分野としてのミクロ科学を提唱する。
• ミクロスケール現象は単なる中間的段階ではなく、競合ダイナミクスに起因する独自の自己組織的性質を持つことが明らかになった。
• 異なる分野における競合メカニズムがシステムレベルの挙動をどのように形作るかという一貫性から、ミクロ科学の普遍性が裏付けられた。
• 本フレームワークは、自然環境および工学的環境における複雑システムの出現的挙動を理解するための概念的基盤を提供する。