Ученые из Университета Западной Вирджинии разработали способ применения первого закона термодинамики к сложным системам, находящимся вне равновесия. Открытие может повлиять на развитие квантовых компьютеров и исследование космоса.
Команда американских исследователей обнародовала революционную работу, которая расширяет границы применения одного из самых фундаментальных законов физики. Впервые за почти два века ученые смогли адаптировать первый закон термодинамики для описания энергетических процессов в системах, где температура распределена неравномерно.
Почему это важно для современной науки
Первый закон термодинамики утверждает простой принцип – энергия не создается и не уничтожается. Она только преобразуется из одной формы в другую. Но до сегодняшнего дня этот закон работал только для систем с одинаковой температурой по всему объему.
«Представьте, что вы нагреваете воздушный шарик», – объясняет ведущий автор исследования Пол Кассак. «Закон говорит вам, насколько расширится шарик и насколько нагреется газ внутри». Проблема возникает, когда температура распределена неравномерно – именно такие системы преобладают во Вселенной.
Где понадобится новое открытие
Неравновесные системы окружают нас повсюду, хотя мы редко о них задумываемся. Плазма в хвостах комет, внешние слои звезд, процессы в микросхемах – все эти явления происходят в условиях термодинамического неравновесия.
Применение обновленного закона открывает новые возможности в следующих сферах:
- разработке квантовых компьютеров следующего поколения;
- прогнозировании космической погоды для защиты спутников;
- создании энергоэффективных электронных схем;
- исследовании химических реакций в сложных условиях.
Математический прорыв века
Решение проблемы требовало сложных математических расчетов. Исследователи обнаружили, что плотности и давления недостаточно для описания энергетических преобразований в неравновесных системах. Необходимо учитывать десятки дополнительных параметров.
"Мы обнаружили, что все другие величины, описывающие газ, жидкость или плазму вне равновесия, оставались за пределами первого закона", – отмечает Кассак. Команда создала систему уравнений, которая учитывает эти "скрытые" факторы.
Что меняется для будущего
Корректировка базовых законов физики происходит крайне редко. Последний раз подобные изменения происходили в начале XX века с появлением квантовой механики и теории относительности. Новая формулировка закона может стать основой для технологических прорывов ближайших десятилетий.
Работа уже привлекла внимание ведущих научных центров мира. Исследователи из MIT и CERN планируют применить обновленный закон в своих экспериментах. Это открытие демонстрирует, что даже законы, которым более 170 лет, могут получить новую жизнь благодаря современной науке.
