竜巻やその他の種類の渦の「渦巻き性」に関する中心的な謎を解決したウィリアム・アーヴィンは、古典物理学のシロイルカである乱流に目を向けました。
はじめに
ブロブに餌を与える時が来ました。食欲旺盛で食欲旺盛で、ディナー皿サイズの 8 杯分を数秒ごとに吸収します。
この塊は、シカゴ大学の物理学者ウィリアム・アーヴィンの研究室にある大きな水槽内にある乱流の雲です。これまで地球上で観測された他のすべての乱流事例とは異なり、アーバインの塊は、液体、ガス、プラズマの流れの中にある、あるいは壁にぶつかった乱流の塊ではありません。むしろ、この塊は自己完結型で、周囲の水はほとんど静止したままの、うねるゴツゴツした球体です。それを作成し維持するために、アーバインと彼の大学院生である松沢匠は、「渦ループ」（本質的には煙の輪の水バージョン）を一度に 8 ループ、繰り返し発射する必要があります。 「私たちはリングごとに乱気流を構築しています」と松沢氏は言いました。
アーバインと松沢は、ブロブの構成要素であるループを厳密に制御し、その結果生じる閉じ込められた乱流を間近で詳細に研究します。この塊は、物理学者が 2 世紀にわたって追い求めてきた乱流についての洞察をもたらす可能性があります。その探究の結果、リチャード・ファインマンは乱流を古典物理学における最も重要な未解決の問題と呼びました。 （量子乱流も重要な問題となっています。）乱流が星、航空、核融合、天候、地球の核の変化、風力タービン、さらには人間の健康に大きな役割を果たしていることを考えると、乱流のもつれを解くことは、非常に大きな影響を与える可能性があります。動脈の流れは危険なほど乱流になる可能性があります。
もしそのブロブが乱流に大きな進歩をもたらしたとしたら、アーヴィンと彼の学生たちが、大まかに回転物と呼ばれるもの、つまり、渦巻く物体、流体、さらには場で構成されるシステムの物理学において生み出した、驚くべき影響力のある画期的な進歩がさらに増えることになるだろう。
アーバイン氏の発見の中で特に注目を集めているのは、流体力学への同研究室の貢献である。この分野は、良好なデータを収集することが難しいこともあり、進歩がひどく遅いことで知られている。最も顕著な進歩には、渦として知られる竜巻のような流れの管を支配する基本的な新しい法則を証明することが含まれます。この法則は、これらの基本的な現象がどのように形成され、相互作用し、進化し、減衰するかを明らかにします。 「科学では、これまでに行われたことの小さなギャップを微調整したり埋めたりする方法を見つけることがよくあります」と、アーバイン氏の研究に詳しいメリーランド大学の物理学者で非線形力学を専門とするダニエル・ラスロップ氏は言う。 「ウィリアムは、これまでに行われてきたこととはまったく異なることができるかを尋ねています。それは、新しい分野を開くことができる種類の仕事です。」
しかし、渦を極めた今、アーヴィンは水中でさらに大きな、そしてより危険な獲物を感じ取っています。 「適切なデータや理論が存在しないため、乱気流はキャリアが死ぬ場所だと考えられてきました」とアーバイン氏は言う。 「自分でもどんどん夢中になっている気がします。」
新たな展開
イタリア生まれのアーヴィンは、26 歳の 2006 年までに、すでに量子光学の 2 つの別々の博士号を取得しており、1 つはオックスフォード大学で実験物理学の博士号、もう 1 つはカリフォルニア大学サンタバーバラ校で実験と理論の博士号を取得しています。その後、彼は物理学の難解な分野で小さな進歩を遂げるのはもう飽きたと判断し、より広範な神経科学分野でプリンストン大学の博士研究員としての研究を始める準備を始めました。しかし、友人が偶然、ニューヨーク大学の物理学者ポール・チャイキンが、泡、コロイド、ゲル、液晶、その他のあまり典型的ではない種類の非固体物質などの「ソフトマター」を使って行っていた研究について言及しました。
チャイキン氏やその他の初期の分野の研究者らは、自己複製や自己集合など、これまでに見たことのない特性を示す材料を入手していた。また、従来の物性物理学者とは異なり、絶対零度に近い冷蔵庫ではなく、目の前のビーカーに入れて室温で材料を扱っていた。さらに重要なのは、アーバインの観点からすると、彼らはほとんど未踏の領域に大きく飛躍していたということです。 「これは人々がまだ根本的な発見をできる分野です」と彼は言いました。 「ここでは、答えを確認するためではなく、答えが何であるか誰も知らないため、実験を構築します。」
アーヴィンはポスドクとしてチャイキンの研究室に飛び込み、コロイド、つまり液体中に浮遊する粒子の研究をしていました。しかし、ある日、マンハッタンのダウンタウンを散歩中、アーヴィンは誰かが煙の輪を吹き飛ばしているのに気づき、すぐに研究室に戻り、煙からより複雑な構造を作り出すことができる装置を作ろうとしました。彼はそこまでは進めず、プロジェクトを脇に置きました。しかし、彼はそれらのリングのことを忘れておらず、シカゴ大学の教員に加わったとき、このテーマについて何も知らなかったとしても、ひるむことなく、実際、活気に満ちて、水中での渦のループに取り組み始めました。 「私は流体力学のコースさえ受講したことがありませんでした」と彼は認めた。 「教えなければならなかったとき、私はここでそれを学びました。」
彼が学んだことは、渦とは基本的に気体、液体、その他の媒質中の管状のねじれた流れであり、竜巻が最もよく知られた例であるということでした。渦は非常に安定している可能性がありますが、驚くほど変化しやすいものでもあります。煙の輪のように、両端を接続してループを形成したり、複数の渦のループをリンクしたり、結合したり、結び付けることもできます。 (イルカはこの点で喫煙者よりも優れており、明らかに遊び半分で渦を巻くことがあります。)
物理学者が渦の性質についてもっと知りたがる理由の 1 つは、電場や磁場を含むあらゆる種類の粒子場で渦が日常的に現れるためです。簡単な例:電線を流れる電流は、電線の周囲に磁場の渦を生成します。これは一種の磁気の竜巻で、ちょうど少量の水が渦巻きの周りを運ばれるのと同じように、電線の近くにある仮想の磁性粒子が電線の周りを旋回します。 (このような「単極子」は自然界には存在しないように見えるため、磁性粒子は仮説上のものです。)
アーバイン氏の初期の画期的な進歩の 1 つは、当時大学院生だったフリデシュ ケディア氏とともに、ライト フィールドを結び目を作る方法を示すことでした。しかし、アーバインは特に水に興味を持っていました。水の中に竜巻のような渦を作るのは簡単です。ソーダボトルがあれば誰でもできます。しかし、ループやより複雑な形状、結び目を含む渦の組み合わせをどのように作成するのでしょうか?そうすることは、ヘリシティと呼ばれる渦の基本的な特性に関する長年の疑問を解決するために極めて重要である。渦ヘリシティは長い間、渦または接続された渦のグループ内のリンクとノットの総数として定義されてきました。リンクとノットは、渦が伸びたり、圧縮されたり、変形したりしても変化しないという点で、トポロジカルな特性です。
半世紀にわたって、理想流体では渦のヘリシティが保存されることが知られてきました。つまり、基本的には粘性のない流体、つまり、流体が中を通過する物体に対して抵抗を持たない流体のことです。このような流体が存在する場合、流体内の渦またはリンクされた渦のグループがどのような変化を経ても、リンクとノットの数は合計すると同じ数になります。
この法則の何らかの形式が現実世界の流体や気体に適用できるかどうかという問題は、あらゆる分析や実験に対して頑固に抵抗され続けました。しかし、このような保存則は、気象学者や渦を扱う他の研究者、つまり乱気流を扱う幅広い研究者にとって非常に役立つでしょう。
ヘリシティの保存についての洞察の探求は、別の基本的な質問と結びついていました。渦の「ねじれ」は、いつものように最終的に減衰するときにどこへ行くのでしょうか?回転エネルギーと運動量は保存されなければなりませんが、渦のマクロな渦がどのようにしてより小さなスケールに伝達され、最終的には分子レベルで消散するのかは明らかではありませんでした。そのメカニズムを理解すれば、ヘリシティの保存が解明される可能性が高く、またその逆も同様です。
いくつかの答えを提供できるかもしれない実験的なプラットフォームを考え出すために、アーバインは自分の趣味の 1 つを利用しました。彼はそこで採掘する非常に豊かな鉱脈を持っています。彼は 4 つの言語を話し、意地悪なチェロを演奏し (そして他の 3 つの楽器を勉強しました)、中程度の熟練したロッククライマーであり、帆走も可能で、趣味で曲技飛行をする商業的に評価された飛行機のパイロットでもあります。 （「科学で何か本当に優れたことができたとしたら、それはおそらく、遊ぶ時間を注意深く取ったからでしょう」と彼は説明した。）この最後の娯楽が、彼が水の渦を生成するアイデアを思いつくきっかけとなった。パイロットは、加速する飛行機の翼端に激しい渦が形成され、そこから分離することをよく知っています。翼のような形や水中翼を水中で作ってみてはいかがでしょうか?
任意の形状の新しい水中翼を 8 時間で製造できる 3D プリンターを利用して、アーヴィン氏は当時博士研究員のダスティン・クレックナー氏とともに、その後大学院生のマーティン・シーラー氏とロバート・モートン氏とともに数百の形状を試しました。重力の 100 倍に相当する力で水中翼を加速する方法を見つけるために、研究者らは爆発物からレールガンまであらゆるものを研究し、最終的にアーヴィンが「ポテトガン」と呼ぶ、圧縮ガスによって駆動される強力なピストンに到達しました。この装置やその他のワイリー・E・コヨーテに似た装置と巨大な水槽を設置するために、アーヴィンは実験棟の地下 3 階にある広いスペースを占領し、高さ 14 フィートの天井とその上の建物内部をすべて打ち破り、小型クレーンが収まる高さ 30 フィートのスペースを確保しました。
最終的に、水中翼は幅約 1 フィートまでのきちんとした輪を作り始めました。彼らはリンクしたリングや結び目のある渦も作成しました。クレックナー氏とシェーラー氏は、高速レーザースキャン断層撮影装置とビデオカメラで水槽を囲みました。小さな気泡とトレーサー粒子がタンク内に発射され、渦流に巻き込まれるため、研究者は渦の進化を観察し、詳細に測定できるようになりました。その後、彼らは幸運な休暇をとりました。彼らは、水中翼を識別するためにシャーピーで水中翼に文字を書き始めました。しかし、インクが水に滲み、渦に巻き込まれ、そこでレーザー光で蛍光を発し、泡によって提供される画像よりもさらに鮮明な画像が表示されました。研究者らは、水中翼船の適切な場所にシャーピー インク、そして後に独自に配合したインクのダッシュを意図的に描くことで、他の方法では識別するのが難しい渦の中心線など、結果として生じる渦のセグメントや特徴を強調表示できることを発見しました。
2017 年までに、実験的な水中渦サーカスを作成する努力は実を結び、現実世界でヘリシティに何が起こるかを証明しました。結局のところ、現実世界の渦は理想的な流体のように動作しません。渦のリンクとノットの数は、渦が進化するにつれて常に保存されるわけではありません。しかし、アーバインは「のたうち回る」と「ひねる」という 2 つの新しい要素をミックスに投入しました。竜巻のような真っ直ぐな渦の長さを表す、ホースの真っ直ぐな長さを想像してください。 「Writhing」は、ホースがスリンキーのようなうねうねした形状になったり、より極端な場合にはとぐろを巻いたりすることを反映しています。ねじれとは、ホースが真っ直ぐなままであっても、ホースの端が反対方向にねじられることを意味します。厳密に言えば、うねりやねじれはトポロジー的特徴ではありませんが、それらは「幾何学的」特徴です。本質的な違いは、幾何学的特徴はエンティティの特定のセクションに限定できるのに対し、トポロジー的特徴はグローバルなプロパティであることです。
サミュエル・ベラスコ/クアンタ・マガジン;
出典:doi:10.1126/science.aam6897 / アーバイン研究所
他の研究者は、これらの幾何学的特徴をリンクや結び目とともに含めることで、渦の複雑さと「ねじれ」のより一般的な尺度が提供される可能性があること、つまり新しい保存則につながる可能性があることを以前に示唆していました。アーバインはその新しい法則を突き止め、それを証明しました。彼は、結び目、リンク、うねりは、ねじれを無視しても、粘度によって結合した螺旋性を失わないことを示しました。しかし、コイル状のホースをまっすぐに引っ張ると、ホース内に広範囲のねじれが発生するのと同じように、もがきはねじれに変換される可能性があります。さらに、渦は自らねじれを解くことができ、その際に周囲の粘性媒体をねじります。このようにして、渦は本質的にそのねじれ、そしてそれに伴う螺旋性を周囲の媒体に失います。 「形状のおかげで、実際には非常にスムーズに進化します」とアーバイン氏は言いました。
この作品は、2017 年に Science 誌に掲載されました。 は、現実世界でヘリシティがどのように進化するかをより完全に説明しただけでなく、渦がどのようにして回転に関連したエネルギーと運動量を環境に失うのかを示唆しました。 「実験家としてのウィリアムのスタイルは本当に賞賛されるべきです」とラスロップ氏は語った。 「このような斬新な設定を作成し、それを使って答えを導き出すのは素晴らしいことです。」
永続的な混乱
一連のZoomインタビューで、現在40歳のアーバインは友好的かつ皮肉っぽい表情を浮かべている。しかし、彼は物思いにふけっていて情熱的でもあり、その印象は彼の乱れた髪の束によって増幅されます。彼の大学院生は彼を科学者であり指導者として称賛しています。 「彼は突飛なアイデアを持っていて、最初は意味がわからないように思えますが、私はいつもそこから学ぶことになります」と、現在研究室の大学院生であるエフライム・ビリラインは言う。一例として、彼は石けん膜から新しい動作を導き出そうとするというアーヴィンの提案を示しました。このプロジェクトは実行不可能であることが判明しましたが、このプロジェクトは、様々な奇妙な特性を示す、石けん膜懸濁液中で微小な磁性立方体を旋回させるビリラインの現在の研究に直接つながりました。
同時に、アーバインの生徒たちは、彼が謎に近いまでに極度にプライベートを保っていることに注目している。彼らは、彼が長い間パイロットであったことを最近知って驚いていました。
キャリア初期の風変わりで即興的なジグザグは、数々の挑戦的な趣味とともに、アーヴィンが自分の相当な能力にふさわしい相手を常に探していることを示唆している。チャイキンさんは、アーバインさんが自分を追い込む理由を理解していると語った。 「ウィリアムは私がこれまで出会った中で最高のポスドクです」と彼は言った。 「珍しいことに、彼は実験を行うのと同じくらい、どのような実験を行う必要があるかを理解するために理論を行うのが容易です。彼はさまざまな分野で事態を打ち破ることができます。」
アーバインの幅広い興味は、最近彼の研究室で進行しているさまざまなプロジェクトに反映されています。渦の研究に加えて、彼と彼の学生たちは、多数の同一の回転物体で構成されるシステムにおける奇妙な量子のような特性を解明することを含む「トポロジカル力学」の探求に忙しくしてきました。たとえば、彼と彼の学生たちは、量子力学的な「トポロジカル絶縁体」デバイスがエッジでのみ電流を伝導するのと同じように、特定の周波数の音波をエッジでのみ一方向にのみ伝導するジャイロスコープのアレイを構築しました。 (非常に大まかな説明:粒子の回転により、音波を構成する振動が端に向かって、周囲の特定の方向に向けられる傾向があります。) 研究室ではまた、「奇数粘度」を持つ磁性粒子と流体のさまざまな混合物も開発しました。これは、波がエネルギーを失うことなく混合物の表面を横切って伝わることを可能にする一種の無摩擦粘度です。
これらの材料は、動作を模倣する量子力学デバイスよりもはるかに単純で、よく理解されており、作成および実験が容易であるため、いつかそれらが物事の量子力学的な側面を解明するのに役立つかもしれないとアーバイン氏は信じています。 「量子力学的バージョンは厄介で複雑です」と彼は言いました。 「これらの動作を実現するために最低限必要なものは何なのかを知りたいのです。それは物理学を本質化するものです。」
大規模な研究室を率いていたとしても、アーバイン氏は自分自身の小規模な個人実験を実行することを妨げませんでした。メインラボから離れた「保管庫」とマークされた小さな部屋で、彼は床に平らに置かれたホワイトボードに散らばった数百のコマで構成される自己完結型のマイクロラボを管理しています。 「それらは液体のように機能します」と彼は言いました。 「それらは私にとって多くの良いアイデアの源です。結局のところ、すべては思いついたものなのです。」パンデミックにより研究室が一時的に閉鎖されたとき、アーヴィンはトップスを自宅に持ち帰り、リビングルームで実験しました。
しかし、最近アーバインの研究室で多くの注目を集めているのは乱気流だ。渦とそのヘリシティを作成、結合、測定するための完璧な遊び場を設定したアーバインとマツザワは、4 年前にこのテーマの新しいバリエーションを模索し始めました。彼らは、さまざまな周波数でさまざまな数の渦ループをタンクに発射し、それらを興味深い方法で組み合わせることがよくありました。時々、乱気流の斑点ができましたが、それらはすぐに再びバラバラになる傾向がありました。しかし、8 つのリングが 1 か所に集まる立方体型の水中翼船を試したところ、結果として生じる乱流がしばらく続くように見えました。そこで彼らは、すぐに 8 つのリングを発射し、続いてさらに 8 つのリングを発射しようとしました。乱気流はさらに長く持続しました。最終的に、彼らは集中砲火が続く限り乱流パッチが続くことを発見した。ブロブが誕生しました。
乱気流は常に複雑すぎて、分析することも、正確に測定することさえできません。松沢はこれを「渦のスープ」と呼んでいます。個々の渦の複雑さをすべて取り込み、それを一緒に潰して明確な境界線のない渦と渦の絡み合ってうねる混乱を作ります。そのスケールは巨大なものから極微のスケールにまで及び、すべてが継続的に湧き出し、激しく変形し、融合し、瞬間瞬間に飛び散り、そして消えます。ラスロップ氏は、物理学者は乱気流の明確な定義についてさえ合意できていない、あるいは、例えばパイプ内で観察される乱気流が航空機の翼端で見られる乱気流と同じ現象であるかどうかについても合意できていない、と指摘する。 「乱気流とは何なのか、私たちには分かりません」と彼は言う。 「物理学の他のあらゆる分野で私たちが成し遂げてきた進歩を考えると、私たちがまだこの時点にいることは驚くべきことです。」
明らかなことが 1 つあります。それは、乱流はカオスであるということです。つまり、その動作は、流れの速度、量、方向、周囲の表面の形状など、あらゆる変化に非常に敏感です。その結果、乱気流の測定におけるわずかな不正確ささえも、それがどのように発展するかについての分析を台無しにするのに十分であるということになります。これはそれほど重要ではありませんでした。なぜなら、最大 10,000 倍も異なるスケールで現れる乱流の中で急速に変化する多くの渦巻きや渦の最も大雑把な測定値を取得する以外に良い方法がなかったからです。研究者は一般に、乱流のいくつかの点で流速を繰り返し測定することに落ち着いています。実験室で乱流を作り出すには、スムーズな流れを乱すためにメッシュやその他の半障害物に水や空気を流さなければなりませんでした。つまり、結果は実際には乱流と非乱流の組み合わせであり、区別するのは困難でした。 「これらのツールを使用して乱気流について何かを発見したことは彼らの功績だと思います」とアーバイン氏は言いました。
十分に特徴付けられた渦から構成される自己完結型の持続的な乱流塊は、測定と分析の新しい可能性の世界を提供します。これは、周囲の流れ、表面、物体によって破壊されていない、より単純で安定した乱流の形態であり、アーバインとマツザワが関心を持っているすべての高馬力イメージングのポーズをとっている、乱流研究者の遊び道具です。彼らは、渦のループが融合して乱流に発展する様子を観察して厳密に測定し、その定常状態を分析し、さまざまな力や微調整を加えてどのように反応するかを確認し、その後、供給を停止してその減衰を研究することができます。
しかし、アーヴィン氏がこの豊富な観測プラットフォームから引き出したい洞察の中で、彼の主なターゲットは身近なものだ。 「乱流はヘリシティ保全にとって最も困難なテストです」と彼は言いました。 「しかし、一度に 1 つの渦を乱流として構築しているため、それにどれだけのヘリシティを加えているかがわかります。その後、ヘリシティを叩き込んで、それに何が起こるかを確認することができます。」
アーバイン氏は、ブロブの開発を進めることに熱心であると同時に、カンファレンスで議論を始めているものの、松沢氏と論文の出版までにはおそらく少なくとも 1 年はかかるだろうと述べた。
少なくとも今のところ、ブロブはその場所で非常に快適に見えます。
この記事は Spektrum.de に転載されました。
