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最初の天体は熱い水素とヘリウムのガスから生まれた。宇宙誕生2億年後くらいである。ガスの濃淡がガスの流れを作り出し、流れは渦を巻き、渦の中心は粘性によりガスの濃度が高まり、それが繰り返され重力の強いところを生み出し、そこにガスが流れ込み、巨大な恒星を造った。
最初の恒星群は、材料がふんだんにあったため、質量も桁違いに大きく、中心部は高温に達し、核融合反応が速やかに、大規模に進行した。水素原子核（陽子）がヘリウム原子核に、ヘリウム原子核から炭素原子核へと、恒星の中で核融合が進み、安定な鉄原子核までが大量に形成された。
３〜10億年で最初の恒星群は超新星爆発を起こし、さらに重い原子核が作られて宇宙空間に放出された。超新星爆発の爆風（重力波）は周りのガスを圧縮し、多数の通常サイズの恒星を生み出した。宇宙に充満していた水素ガスが恒星に吸収されて、宇宙が晴れ上がった。また、恒星の紫外線により、残りの水素分子が電離し、宇宙の再イオン化が起きた。恒星の中心部は巨大なブラックホールになった。ブラックホールは、自身の重力でまわりの恒星を従え、星団を作った。
無数の星団はお互いの重力ポテンシャルの凹みに沿って近づいたり、遠ざかったりして、運動した。やがて、複数の星団は融合し、銀河を作った。そのときのフィナーレは中心のブラックホールの融合である。ブラックホールの融合はすさまじいエネルギーを放出し、それがクエーサーとして10億年後から50億年後まで観察された。星団が融合するときに潮汐力により様々な方向に恒星が振り回され、やがて中心核である超巨大ブラックホールを中心に回転する楕円型や渦巻き型銀河として落ち着いた。わが銀河系の中心核ブラックホールは半径900万キロで太陽の300万倍もの質量をもつ。
原始の水素ガスの濃淡は恒星の誕生にしたがって強調され、宇宙での恒星や、銀河の分布は泡状構造となった。
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銀河の形は様々です。代表的な形は、古い星が多い「だ円型」や若い星が多い「うず巻き型」です。銀河の形を決めている要素や分布、回転を維持する重力の問題など、多くのことがわかっていません。
どの銀河も中心核を持ちます。特に莫大なエネルギーを発生している銀河の中心核を活動銀河核と呼び、その代表格がクエーサーです。50億光年以上先にしか存在しません。太古の時代に形成され、その時代のみに存在できた天体と考えられています。きわめて小さな領域から普通の銀河の１万倍ともいわれる大量のエネルギーを放っています。ブラックホールが関与していると考えられています。銀河の真ん中で大量の恒星を飲み込んでいるという説もあります。このメルマガでは、銀河は複数のブラックホールを中心とした星団が合体したと考え、クエーサーは中心核のブラックホールが合体する現象として整理してみました。銀河の中のブラックホールが1つになると、クエーサーは消滅しました。
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宇宙サイズのガスは収縮できるのでしょうか。ニュートンの力学の方程式では質量の間に働く引力は質量の積に比例し、距離の二乗に反比例します。気体分子は軽いし、宇宙規模であればそれぞれの距離も相当なものがあると推測され、ガスが収縮して星になるためには、重力による収縮が温度による膨張に打ち勝つ必要があります。分子雲はそう簡単には収縮できないように思います。
そこで、単にぎゅっと縮むだけではなく、イメージとして流れと渦を入れてみました。本当に気体の渦が恒星を生み出すのかわかりませんが、私にとってはなんとなく自然に感じられます。
実際の科学の現場では大型コンピュータを用いたシュミレーションにより、宇宙スケールのガスの状態を計算し、揺らぎが発生すること、揺らぎが成長することが示されています。詳しいことは判りませんが、やがて、映像化され、デレビ画面で見ることができるでしょう。
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宇宙の進化は冷えていくことと関係します。宇宙の温度が下がり、膨張することで、全体として現象は一定方向に流れます。
ただその流れは均一ではなく、あちこちによどみや渦を作り、それが物質や銀河や私たちのようです。温度の低下とともに、宇宙に次々といろんなシステムが発生してきました。これが宇宙進化の姿です。現在がもっとも多様な時代で、数百億年もすると、熱力学の第二法則にしたがって、やがて宇宙は熱的死を迎えるのでしょうか。
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固体・液体・気体のうち、気体と液体を合わせて流体と言います。流体の特徴は形がないことです。流体も固体と同じように力が働きます。例えば風車や水力発電、台風や洪水を想像してみてください。ただ、形がないこと、粘性があることが質点の運動とは違います。
力学というと、大砲から撃ち出された弾丸の軌道について計算するイメージがあります。高校で習うニュートンの法則です。しかし、これらの計算では空気の抵抗などを無視しています。固体である弾丸の代わりに、空気や水を放出するとどうなるでしょう？ 形がないことと粘性をどう取り扱うか考える必要があります。流体力学は身近な液体、気体の運動であることから、重要な応用分野として発展してきました。
流れの現象は大きく分けて層流と乱流とに分けられます。物体表面の流れは、低速では秩序だった層流ですが、流れの大きさあるいは速さがある程度以上になると、流れの中の微細な渦運動が減衰せず発達し、次々に様々な大きさと形状の渦を作るようになります。これが乱流です。乱れは不規則振動です。また、その不規則性の中に規則的な性質の挙動が潜むこともあります。乱流は、運動する流体との境界に発生する摩擦力を増加させたり、流体の混合・熱伝達・燃焼の促進などの効果をもちます。
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エネルギーにも流れがあります。そこには非平衡状態が存在します。高いところから低い方へ水が流れるイメージです。
熱力学的な非平衡系の単純な例は、高温部と低温部があって高温から低温に熱が流れるような例です。高温部と低温部が同じ温度になれば、すなわち、システム内が一定の状態になれば、熱平衡系とよばれます。熱い珈琲が室温と同じ状態になったとき、それが熱平衡系です。さまざまなシステムは、内部の温度差・圧力差・電位差のような非平衡性を解消するように流れをおこします。過程は不可逆です。勝手に元の状態に戻りません。不可逆過程は統計熱力学の本質と密接にむすびついています。熱力学第二法則はエントロピー増大の法則として、不可逆過程を定義づけます。ちなみに熱力学の第一法則はエネルギーの保存則、第三は絶対0度が存在することです。
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流れは乱れを発生させ、乱れは構造を造り出します。熱力学的な流れでも構造が作られます。
熱力学では閉鎖系を取り扱っていました。したがって、系には外側があっても、系に影響は及ぼしません。系の外側を仮定し、その系とエネルギーや物質のやり取りがある場合、その系だけに限って言うと熱力学第二法則が成り立たないことがあります。大局的には時間的に一定の流れをもつ定常状態にある非平衡系を仮定します。そのなかに開放系をはめ込むと、内部にはさまざまな構造が誕生し、発展する。プリゴジンとブリュッセル学派はその構造を散逸構造と呼びました。開放系はエネルギーやエントロピーの低い物質を取り込んで系の複雑さや秩序を増し（エントロピーを低下させ）、熱やエントロピーの高い物質を捨てています。
単純な物質世界では系の中の小さな揺らぎが発展し、自己組織化して、目に見えるような秩序だった構造になります。
生命体が始めて膜をもち、自らの系を外界と区別したとき、生命体の自己組織化がスタートしました。以後、生命体は宇宙の熱力学的な不可逆過程に逆らうように個々のシステムを精緻にしてきました。
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プリゴジンの散逸構造のように、ニュートン力学に代表される線形性を持たないような系を複雑系と呼びます。命名者は物理学者です。複雑すぎて解析不能である（？）ものを彼らはひとまとめに複雑系と呼びました。その多くが脳や生態系、遺伝子といった生物システムであり、経済的な活動や言語的な相互作用といった物理的実体を伴わないものです。複雑系は開放性、非線形性、組織性の３つの特性を備えています。
複雑系を解析するには適当なモデル系が必要です。乱流はこの３つの特性をもち、従って乱流現象、あるいは乱流力学はその代表と言えるでしょう。
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宇宙の誕生以来、宇宙全体を貫く流れは冷えていくこと、膨張することです。流れは一様ではなく、あちこちに乱流を作り(素粒子)、構造体（原子や分子）をつくり、構造体は一時的ですが、散逸構造：秩序（星や生命）を作り出しました。私はそんなイメージを持っています。宇宙の流れは容赦なく進行し、やがて渦は消えてしまうことでしょう。それとも、よく言われるようにもう一度ビックバンのような状態に戻るのでしょうか。
つづく
