平衡・非平衡の化学反応システムを統一する新理論

　生活を支えるさまざまな工学システムは力学的・電磁気的な物理現象を元にして作られており、その技術は力学や電磁気学の法則の発見とそれらを統一する物理理論に立脚している。一方で、生き物の基本単位である細胞やその機能は化学反応が組み合わさった回路により作られており、その性質の解明は生命システムの理解やその応用に不可欠である。しかし、力学や電磁気学が１世紀以上前から高度な理論体系を構築してきたのに対し、化学反応、とりわけそれらが組み合わさった化学反応システムにおいては、化学反応の持つ非線形で散逸的な性質が体系的な理論の成立を阻んでいた。

　東京大学 生産技術研究所の小林 徹也 准教授らの研究グループは、平衡・非平衡の化学反応システムを統一的に扱う新規理論を構築した。多くの物理理論が、距離や角度が自然に備わるリーマン幾何学的な空間を基礎とするのに対し、化学反応システムではヘッセ幾何という、角度などが自然には備わらない幾何構造が化学反応システムの平衡的・非平衡的性質のそれぞれで本質であることを明らかにし、その幾何学構造を用いて平衡・非平衡の両面を統一的に捉えることに成功した。そして、反応システムの動作に付随して発生するエントロピーを腑分けして特徴づける新たな方法を提案した。本理論は、工学システムよりも遥かに高効率に機能しているようにも見える細胞化学システムの設計原理の解明や、人工細胞・人工化学システムの設計を可能にする基礎理論となることが期待される。

　本研究成果は、２０２２年９月１５日（米国東部夏時間）にAmerican Physical Societyによる「Physical Review Research」に掲載された。