Turbulence: One of the great unsolved mysteries of physics - Tomás Chor

翻訳: Yasushi Aoki 校正: Tomoyuki Suzuki

You’re on an airplane when you feel a sudden jolt.

飛行機に乗っていると 突然揺れを感じます

Outside your window nothing seems to be happening,

窓の外を見ると 何事もないようですが

yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers

飛行機が乱気流を 通っている間ずっと

as it passes through turbulent air in the atmosphere.

自分も他の乗客も 揺られ続けます

Although it may not comfort you to hear it,

こう言うと不安に感じる かもしれませんが

this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics.

この現象は物理学における 大きな謎の１つなのです

After more than a century of studying turbulence,

乱流については百年以上 研究されていますが

we’ve only come up with a few answers for how it works

それがどう起き どんな影響を及ぼしているのか

and affects the world around us.

わずかなことしか 分かっていません

And yet, turbulence is ubiquitous,

それでいて乱流は どこにでもあり

springing up in virtually any system that has moving fluids.

基本的に動く流体を含む あらゆる系において生じます

That includes the airflow in your respiratory tract.

気道内の空気の流れにも

The blood moving through your arteries.

血管を流れる血液にも

And the coffee in your cup, as you stir it.

混ぜたときのカップの中の コーヒーにも

Clouds are governed by turbulence,

乱流に支配されているものには 雲や 海岸に打ち寄せる波や

as are waves crashing along the shore and the gusts of plasma in our sun.

太陽で吹き上がる プラズマもあります

Understanding precisely how this phenomenon works

この現象を正確に理解できれば

would have a bearing on so many aspects of our lives.

私達の生活の様々な面で 実りがあることでしょう

Here’s what we do know.

まず分かっている ことですが

Liquids and gases usually have two types of motion:

液体や気体には ２種類の動きがあります

a laminar flow, which is stable and smooth;

安定した なめらかな層流と

and a turbulent flow, which is composed of seemingly unorganized swirls.

乱れた渦の集まりのような 乱流です

Imagine an incense stick.

線香を考えてみてください

The laminar flow of unruffled smoke at the base is steady and easy to predict.

下の方の乱れのない煙の層流は 安定していて予測しやすいですが

Closer to the top, however,

上の方にいくと

the smoke accelerates, becomes unstable,

煙が動きを増し 不安定で

and the pattern of movement changes to something chaotic.

動きのパターンが カオス的に変化します

That’s turbulence in action,

それが乱流です

and turbulent flows have certain characteristics in common.

乱流に共通する性質が いくつかあります

Firstly, turbulence is always chaotic.

まず乱流は 常にカオス的です

That’s different from being random.

これはランダムとは 違います

Rather, this means that turbulence is very sensitive to disruptions.

乱流は乱れに対し とても敏感なのです

A little nudge one way or the other

わずかな刺激を 与えることで

will eventually turn into completely different results.

まったく異なる結果になり

That makes it nearly impossible to predict what will happen,

系の現在の状態について 多くの情報があったとしても

even with a lot of information about the current state of a system.

今後どうなるか予測するのは ほとんど不可能です

Another important characteristic of turbulence

乱流のもう１つ重要な性質は

is the different scales of motion that these flows display.

規模の異なる動きが 見られることです

Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies,

乱流の中には 多くの渦があり

which are like vortices of different sizes and shapes.

その大きさや形は 様々です

All those differently-sized eddies interact with each other,

それら大小の渦が 互いに作用し合い

breaking up to become smaller and smaller

分裂して 小さな渦になっていき

until all that movement is transformed into heat,

エネルギーカスケードと 呼ばれる過程で

in a process called the “energy cascade."

動きが熱へと変わります

So that’s how we recognize turbulence–

乱流はそのように 特徴付けられますが

but why does it happen?

ではなぜ それは 起きるのでしょう？

In every flowing liquid or gas there are two opposing forces:

流れる液体や気体には

慣性と粘性という ２つの相反する力が働きます

inertia and viscosity.

Inertia is the tendency of fluids to keep moving,

慣性は流体の持つ 流れ続けようとする傾向で

which causes instability.

不安定さを生みます

Viscosity works against disruption,

粘性は乱れを 抑えるように働き

making the flow laminar instead.

流れを層流に近づけます

In thick fluids such as honey,

蜂蜜のような密度の高い流体では

viscosity almost always wins.

粘性が強く働きます

Less viscous substances like water or air are more prone to inertia,

水や空気のような粘度の低い物質では 慣性が強く働き

which creates instabilities that develop into turbulence.

乱流を引き起こす 不安定さを生じます

We measure where a flow falls on that spectrum

流れがどちら寄りかは

with something called the Reynolds number,

慣性力と粘性力の比である

which is the ratio between a flow’s inertia and its viscosity.

「レイノルズ数」で表されます

The higher the Reynolds number,

レイノルズ数が大きいほど

the more likely it is that turbulence will occur.

乱流が起きやすくなります

Honey being poured into a cup, for example,

たとえばコップに 注がれる蜂蜜は

has a Reynolds number of about 1.

レイノルズ数が １くらいです

The same set up with water has a Reynolds number that’s closer to 10,000.

それが水の場合 レイノルズ数は１万近くになります

The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios,

レイノルズ数は単純な状況の 理解には役立ちますが

but it’s ineffective in many situations.

多くの状況の理解には 不十分です

For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced

たとえば大気の動きの場合

重力や地球の自転といった要因によって 大きな影響を受けます

by factors including gravity and the earth’s rotation.

Or take relatively simple things like the drag on buildings and cars.

建物や車の空気抵抗のような 比較的単純なものについては

We can model those thanks to many experiments and empirical evidence.

多くの実験結果や経験的事実から モデルを作れます

But physicists want to be able to predict them through physical laws and equations

しかし物理学者は 惑星軌道や電磁場の モデルを作れるように

as well as we can model the orbits of planets or electromagnetic fields.

乱流も物理法則と方程式で 予測できることを望んでいます

Most scientists think that getting there will rely on statistics

そのためには 統計学と 強力なコンピューターの力に

頼ることになると 多くの科学者は考えています

and increased computing power.

Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows

乱流の超高速 シミュレーションによって

could help us identify patterns that could lead to a theory

異なる状況での予測を 整理統合する理論へと繋がる

that organizes and unifies predictions across different situations.

パターンを見出せる かもしれないと

Other scientists think that the phenomenon is so complex

一方で この現象はあまりに複雑で

that such a full-fledged theory isn’t ever going to be possible.

そのような網羅的な理論を作り出すことは 不可能と考える科学者もいます

Hopefully we’ll reach a breakthrough,

乱流を真に理解できれば 大きな利益があるので

because a true understanding of turbulence could have huge positive impacts.

進展があることを 望むばかりです

That would include more efficient wind farms;

より効率的な風力発電所や

the ability to better prepare for catastrophic weather events;

破壊的な気象現象への対策

or even the power to manipulate hurricanes away.

ハリケーンを逸らすことさえ できるかもしれず

And, of course, smoother rides for millions of airline passengers.

それに もちろん 快適な 空の旅というのもあります