[論文レビュー] Far-From-Equilibrium Physics: An Overview

Heinrich M. Jaeger, Andrea J. Liu|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2010

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 162被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、非平衡物理学の包括的概要を提供し、乱流、破壊、生命といった非平衡現象や複雑な構造の生成におけるその役割に焦点を当てる。非平衡プロセス（急速な冷却など）が、特異な機械的特性を示す先進的材料の創出を可能にし、非平衡熱力学を超えた系の基礎的知見を提供する。

ABSTRACT

Isolated systems tend to evolve towards equilibrium, a special state that has been the focus of many-body research for a century. Yet much of the richness of the world around us arises from conditions far from equilibrium. Phenomena such as turbulence, earthquakes, fracture, and life itself occur only far from equilibrium. Subjecting materials to conditions far from equilibrium leads to otherwise unattainable properties. For example, rapid cooling is a key process in manufacturing the strongest metallic alloys and toughest plastics. Processes that occur far from equilibrium also create some of the most intricate structures known, from snowflakes to the highly organized structures of life. While much is understood about systems at or near equilibrium, we are just beginning to uncover the basic principles governing systems far from equilibrium.

研究の動機と目的

• 非専門家、特に凝縮系および材料科学の文脈において、非平衡物理学の基礎的概要を提供すること。
• 非平衡プロセスが複雑な構造や新規材料特性を形成する上で有する科学的・技術的意義を強調すること。
• 非平衡から大きく離れた系を理解するうえでの主要な未解決問題と課題を特定し、平衡物理学と対比して示すこと。
• 地震、雪の結晶の形成、生物学的組織といった自然現象における非平衡ダイナミクスの役割を強調すること。
• 非平衡物理学を現代の凝縮系研究の中心的フロンティアとして位置づけ、材料工学および基礎科学への影響を示すこと。

提案手法

• ソフト凝縮系、材料科学、統計力学といった多様な分野からの知見を統合し、非平衡系に対する統一的視点を提示すること。
• 砂状物質、金属ガラス、ポリマーといった系からの実験的および理論的結果を活用して、非平衡現象を説明すること。
• 急速な冷却や雪の結晶の形成といったアナロジーと具体的な例を用いて、複雑な概念をわかりやすく伝えること。
• 熱力学的に安定な平衡状態と、動的に変化し構造的に複雑な非平衡状態の対比を議論の枠組みとする。
• 優れた機械的性能を実現するための非平衡状態に依存する主要な実験的観察および材料処理技術を引用すること。
• 不可逆性、自己組織化、非平衡駆動力のもとでの複雑性の出現といった繰り返し現れるテーマを中心に、概要を構造化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的平衡から大きく離れた状態で動作する系を支配する基本的原理は何か？
• RQ2 非平衡プロセスは、雪の結晶や生物系のような複雑で安定した構造をどのように生じさせるか？
• RQ3 非平衡状態は、高強度合金や靭い性の高いプラスチックといった優れた機械的特性を示す材料の創出を、どのような方法で可能にするか？
• RQ4 なぜ平衡物理学では、乱流、破壊、生命プロセスといった現象を記述できないのか？
• RQ5 非平衡系の一般理論的枠組みを構築するうえでの主な課題は何か？

主な発見

• 非平衡から大きく離れたプロセスは、雪の結晶や生物系のような複雑で組織的な構造が形成されるために不可欠であり、平衡条件下ではそれらが生じないことを示している。
• 急速な冷却——非平衡プロセス——は、極めて高い強度を示す金属合金や高い靭性を示すプラスチックを製造する上で極めて重要である。
• 乱流、地震、破壊といった多くの自然的および工学的現象は本質的に非平衡的であり、平衡統計力学では記述できない。
• 非平衡物理学の分野は、平衡物理学に比べてまだ未発達であり、基礎的原則がようやく姿を表し始めた段階にとどまっている。
• 非平衡系は、従来の平衡熱力学では捉えきれない豊かなダイナミクスと出現的行動を示す。
• 非平衡物理学の研究は、材料設計や自然界および技術分野の複雑系の理解への新たな道筋を開く。