平衡ではないということ
否定形で物事を説明しているうちは、その本質を捉えたことにはならない。数多くの自然現象の中で、非平衡という概念はその最たるものといえる。
平衡系の理論は20世紀前半にはあらかた整理されており、熱力学と統計力学は理工系の学生であれば必修科目のひとつとなっている。熱力学に至っては、高校生の段階で熱移動をエネルギー則として記述する熱力学第一法則と、カルノーサイクルの理解を通じて最大熱効率の存在を示す熱力学第二法則を学んでいる。また、大学に入り統計力学を学ぶと、熱力学は微視的な力学関係から巨視的な物理量を導出する便利な道具として日常的に利用されるようになる。基本関係式を押さえ、ある程度の計算練習を経ることで「使える」熱力学は、大学に入ってからも比較的分かりやすい分野として捉えられることが多いようだ。しかし、深く考えれば考えるほど、熱力学の持つ体系に奥深さを感じずにはいられない。
まず、熱という概念が難しい。日常生活で身近なものとして温度があるが、熱は温度とは全く異なる。たとえば、同一の温度であっても、固体が液体に転移する際や液体が気化する際には一定量の熱量が必要となる*1ことから、温度と熱は独立な物理量であることが分かる。そして熱の実態は何かといえば、系と外部環境間での分子レベルによる力学的エネルギーのやり取りということになるのだが、これもすんなり納得できるかといえばそうでもない。微視的には単に粒子間のエネルギー交換を行っているに過ぎないのだが、第二法則が示すように、巨視的な熱の流れは高温から低温へと一方向に定められてしまい、系に仕事を加えることなく熱を取り出すことができない。熱力学は多数の分子間の力学的相互作用を近似的に記述しただけという人もいるが、この視点では第二法則（エントロピー増大則）を説明することはできない*2。
そもそも、熱力学という学問は分子論の成立以前にその大枠は確立しており、微視的描像の詳細によらず体系を構築することが可能となっている*3。熱力学は要素還元論的な立場から見た近似理論ではなく、それ自身が独立した理論体系を成しているといえるだろう。
ここまで熱力学について思いつくままに述べてきたことは、「平衡系」に限った話。そもそも「平衡」とは何だろうか？直感的には、系の温度や圧力、体積といった巨視的な物理量が時間に依存せず一定なことといえる*4。熱力学は平衡系の状態、また、ある平衡系から別の平衡系への遷移を記述するが、平衡でない状態の記述となると未だに分からないことばかりと言っていい。
とはいえ、非平衡な現象が全く説明できないわけではない。水や気体の流れを記述する流体力学は、微視的な分子からなる巨視的な流れの記述に成功した理論のひとつであるが、適用限界が存在する。流体方程式は、微小領域ごとに平衡状態を規定し、微小な平衡状態の張り合わせとして成立している。また、物理量の時間変化は、微小領域での成立を仮定している平衡状態よりも十分長い（ゆっくりした）スケールでの変化を仮定している。このため、流れの状態が急激に変化する乱流や衝撃波などの記述には異なる理論が必要となる。これらの現象を規定する理論はあくまで現象論的な範疇に留まっており、微視的描像との関わりについてはほとんど分かっていない。
（続く（かもしれない））
