最大出力原理

最大出力原理またはロトカの原理^[1]は、開放系熱力学におけるエネルギー学の第4原理として提案されている。アメリカの生態学者ハワード・T・オダムによると、「最大出力原理は次のように述べることができる。自己組織化の過程で、電力の摂取、エネルギーの変換、および生産と効率を強化する使用を最大化するシステム設計が開発され、普及する。」^[2]

チェン (2006) は、最大出力の声明の起源を、正式な原則として、アルフレッド J. ロトカ(1922a, b) の暫定的な提案に求めています。ロトカの声明は、物理的原則を参照してダーウィンの進化論の概念を説明しようとしたものです。ロトカの研究は、その後、システム生態学者の ハワード T. オダムと化学技術者のリチャード C. ピンカートンが共同で発展させ、後に技術者のマイロン トリバスによって発展させました。

ロトカの研究は進化論を数学的に形式化する最初の試みであったかもしれないが、時には物議を醸す自然哲学の歴史を通じて、例えばライプニッツ、ヴォルテラ、ルートヴィヒ・ボルツマンらによってなされた同様の観察に従ったものであった。現代の文献では、ハワード・T・オダムの研究と最もよく関連付けられている。

オダムのアプローチの重要性は、1970年代の石油危機の時期にさらに支持されました。ギリランド (1978、100ページ) が指摘したように、経済と環境の生産に対するエネルギー資源の重要性と価値を分析する新しい方法に対するニーズが高まっていました。この分析ニーズを満たすために、正味エネルギーとEROEIに関連するエネルギー分析と呼ばれる分野が生まれました。しかし、エネルギー分析では、エネルギー単位を使用して、a) 濃縮燃料タイプ (またはエネルギータイプ) 間の変換、b) 労働の貢献、c) 環境の貢献を理解する際に、扱いにくい理論的および実際的な困難が生じました。

ロトカはこう言った（1922b: 151）。

自然選択の原理は、熱力学の第一法則と第二法則では提供できない情報をもたらす能力があることが明らかになっています。熱力学の 2 つの基本法則は、もちろん、物理システムにおける出来事の進行を決定するには不十分です。これらの法則は、ある事柄が起こり得ないことは教えてくれますが、実際に何が起こるかは教えてくれません。

ギリランドは、これらの分析の困難さは、これらの異なるエネルギー（燃料、労働、環境力の異なる集中）の相互作用と取引を適切に説明するための新しい理論を必要とすると指摘しました。ギリランド（Gilliland 1978、p. 101）は、オダムの最大出力原理（HTOdum 1978、pp. 54–87）の記述が、おそらく必要な理論を適切に表現しているのではないかと示唆しました。

最大電力原理として表現されるこの理論は、あらゆるタイプや規模のシステムが、なぜ観察されるパターンに自ら組織化されるのかという経験的な疑問に答えるものです。このような疑問は、物理法則がシステムの機能を支配することを前提としています。たとえば、経済生産を構成するシステムが消費者によって動かされているとは想定していません。むしろ、生産と消費のサイクル全体が物理法則によって構成され、動かされていると想定しています。

この理論は、オダムが最大出力理論と呼んだ。ギリランドは、最大出力理論を定式化するために、オダムがすでに確立されている熱力学の法則に別の法則 (最大出力原理) を追加したと観察した。1978 年にギリランドは、オダムの新しい法則はまだ検証されていないと書いた (Gilliland 1978、p. 101)。ギリランドは、最大出力理論では、熱力学の第二法則の効率には、追加の物理的概念、「最大出力での第二法則の効率の概念」が必要であると述べた (Gilliland 1978、p. 101)。

熱力学の第 1 法則も第 2 法則も、エネルギー変換またはプロセスが発生する速度の測定は含まれていません。最大出力の概念は、エネルギー変換の測定に時間を組み込みます。これは、ある種類のエネルギーが別の種類のエネルギーに変換される速度と、その変換の効率に関する情報を提供します。

このように、最大​​出力の概念は、生物進化の選択法則を定量的に記述するための原理として使われていました。おそらく、HTOdum によるこの見解の最も簡潔な記述は次の通りです (1970、p. 62)。

ロトカは、最大出力の組織者として自然選択理論を提示した。競争条件下では、利用可能なエネルギーを最大限活用するために、さまざまな構造開発活動にエネルギーを使用するシステムが選択される。この理論によれば、エネルギー消費量の少ない循環システムは、比較的開発で不利になる。しかし、レオポルドとラングバインは、開発中の侵食プロファイル、蛇行システム、支流ネットワーク内の水路は、水路が直線的である場合よりも、潜在エネルギーをゆっくりと分散させることを示した。これら 2 つのステートメントは、最適効率最大出力原理 (Odum and Pinkerton 1955) によって調和される可能性がある。この原理は、熱に急速に変換されるエネルギーは、貯蔵庫を通じて有用なポンプにフィードバックされず、代わりに環境をランダムに攪拌するため、システム自体の使用には利用できないことを示している。

ロトカの提案に対するオダム＝ピンカートンアプローチは、オームの法則とそれに関連する最大出力定理（電力システムにおける結果）を生態系に適用することだった。オダムとピンカートンは、電子工学における「出力」を仕事率と定義した。ここで仕事とは「有用なエネルギー変換」と理解される。したがって、最大出力の概念は、有用なエネルギー変換の最大速度と定義できる。したがって、根底にある哲学は、電子システムと熱力学システムの理論と関連法則を生物システムと統合することを目指している。このアプローチは、世界を生態学的、電子的、経済的エンジンと みなす類推的な見方を前提としている。

ボルツマンは、生命の闘争、有機界の進化における基本的な争点は利用可能なエネルギーであると指摘しました。この観察と一致しているのは、生存のための闘争において、利用可能なエネルギーを種の保存に有利な経路に導くのに最も効率的なエネルギー捕捉装置を持つ生物が有利になるという原則です。

—  AJ ロトカ 1922a、147 ページ

ロトカは、生存と進化のための闘いにおいて利用可能なエネルギーが中心的な役割を担っていることを強調しました。より効率的なエネルギー獲得メカニズムを持つ生物が有利になると主張することで、ロトカは本質的に MPP に同調しました。MPP は、他の複雑なシステムと同様に、生物システムは、電力摂取量またはエネルギー フラックスを最大化する方法で進化する傾向があると仮定しています。この文脈では、エネルギー リソースを効果的に獲得して利用する生物は、繁栄して増殖する可能性が高く、進化のプロセスを促進します。ロトカの観察は、生物進化におけるエネルギー ダイナミクスの役割を理解するための初期の理論的基礎を提供します。

...著者は、ダーウィンの自然選択原理を熱力学の第 4 法則として引用することで、生物学と物理学の伝統を統合することが適切であると考えています。なぜなら、この法則は、不可逆的な生物学的プロセスにおける熱発生率と効率設定を制御する原理だからです。

—  HTオダム 1963年、437ページ

ダーウィンの自然淘汰を熱力学の第 4 法則と関連付けるというオダムの提案は重要です。これは、生物進化を支配する原理が熱力学の原理、特にエネルギー フローとエントロピー生成の概念と密接に関連していることを示唆しています。自然淘汰を熱力学的プロセスと見なすことで、オダムは生物がエネルギーの捕獲と利用を高める特性と行動を進化させることを示唆しており、これは MPP と一致しています。さらに、生物学的プロセスにおける熱生成と効率の調整を強調することで、オダムは生存と生殖のためのエネルギー利用を最適化することの重要性を強調しており、これは MPP の原理を反映しています。

...ロトカが示唆したように、最大​​出力原理を第 4 の熱力学法則として認識する時期が来ているのかもしれません。

—  HT オダム 1994

MPP を第 4 の熱力学法則として認めるというオダムの主張は、熱力学と生物学の関係についてのこれまでの洞察の集大成です。MPP を基本的な熱力学法則の地位にまで高めることで、オダムは、生物系を含むさまざまな複雑なシステム全体にわたって普遍的に適用できることを強調しています。この視点は、生存と繁殖の要請によって駆動される生物系は、その出力を最大化する方向に進化する傾向があり、それによって利用可能なエネルギー資源を活用する能力が強化されることを強調しています。MPP を支配原理として認めることで、オダムは、生態系のダイナミクス、個体群の相互作用、進化の軌跡を理解する上でのその説明力を強調しています。

最大電力原理は次のように述べられます。自己組織化の過程で、電力の摂取、エネルギー変換、および生産性と効率性を強化する使用を最大化するシステム設計が開発され、普及します。(HT Odum 1995、p. 311)

...最大出力原理は、エネルギーの流れを最大化するシステムが競争で生き残ることを述べています。言い換えれば、単に単位時間あたりのエネルギーが最大出力で動作するプロセスで変換されるという事実を受け入れるのではなく、この原理は、システムが自然に組織化され、最大出力になるように構造化することを示しています。システムは最大出力原理に従って自己調整します。時間の経過とともに、最大出力を実現するシステムは選択され、そうでないシステムは選択されず、最終的には排除されます。...オダムは、経済の自由市場メカニズムは人間のシステムに対して実質的に同じことを行っており、今日までの経済の進化はその選択プロセスの産物であると主張しています。(Gilliland 1978、pp. 101–102)

オダムらは、最大電力定理を、電子機器だけでなくより広い用途を持つ電力効率の相互選択の原理とみなしました。たとえば、オダムは、太陽光発電や光合成など、太陽エネルギーで動作するオープン システムでこの原理を見出しました (1963、p. 438)。最大電力定理と同様に、オダムの最大電力原理に関する記述は、「マッチング」の概念に依存しており、高品質のエネルギーは、エネルギーをマッチングおよび増幅することで電力を最大化します (1994、pp. 262、541)。「生き残った設計では、高品質のエネルギーと大量の低品質のエネルギーのマッチングが発生する可能性が高い」(1994、p. 260)。電子回路と同様に、エネルギー変換の結果として生じる速度は、中間の電力効率で最大になります。 2006 年、TT Cai、CL Montague、JS Davis は、「最大出力原理は、生態系の発達と持続可能性のパターンとプロセスを理解するための潜在的なガイドです。この原理は、これまで未開発だったエネルギー源を捕捉する生態系設計の選択的持続性を予測します」と述べています (2006 年、317 ページ)。HT Odum はいくつかのテキストで、Atwood マシンを最大出力の「原理」の実例として挙げています。

HT オダムによる数学的定義は、最大電力定理の記事で提供されている定義と形式的には類似しています。(生態学とエレクトロニクスの関係に対するオダムのアプローチの簡単な説明については、 「オームの法則の生態学的類似」を参照してください)

最大電力効率の原理が熱力学の第 4 法則やエネルギー論の第 4 原理とみなせるかどうかは議論の余地がある。しかし、HT オダムは、微生物システム、経済システム、惑星システム、天体物理学システムの進化を説明する進化の組織原理として最大電力の帰結も提案した。彼はこの帰結を最大電力原理と呼んだ。これは、SE ジョーゲンセン、MT ブラウン、HT オダム (2004) が指摘しているように、

最大パワーは、低レベルのプロセスを優先することを意味すると誤解される可能性があります。...ただし、高レベルの変換プロセスは、低レベルのプロセスと同じくらい重要です。...したがって、ロトカの原則は、最大エンパワーメントのための自己組織化の原則として述べることで明確にされています。

—  18ページ

C. ジャンナントーニは、「『最大電磁力原理』（ロトカ・オダム）は、主に、非常に幅広い種類の物理系および生物系に実用的に有効であるため、一般に『第 4 の熱力学原理』と考えられている」（C. ジャンナントーニ 2002、§ 13、p. 155）と書いたとき、事態を混乱させた可能性があります。それにもかかわらず、ジャンナントーニは最大電磁力原理を熱力学の第 4 の原理として提案しました（Giannantoni 2006）。

前述の議論は不完全です。「最大出力」は物理学と工学の分野で独立して何度も発見されています。Novikov (1957)、El-Wakil (1962)、Curzon と Ahlborn (1975) を参照してください。この分析と設計進化の結論の誤りは、Gyftopoulos (2002) によって実証されました。

• 最大電力定理
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• エクセルギー効率
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• ジェレミー・イングランド
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• エマジー
• システム生態学
• 生態経済学

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