Один із головних законів фізики переосмислюють: що це означає для науки
Перший закон термодинаміки — той самий, який ми звикли формулювати як «енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно», — може отримати нове, значно ширше застосування. Група дослідників з Університету Західної Вірджинії запропонувала підхід, який дозволяє використовувати цей фундаментальний закон там, де раніше він просто не працював.
Ідеться не про скасування закону, а про його суттєве розширення. Вчені показали, як враховувати складні енергетичні процеси в системах, які перебувають далеко від рівноваги — а саме такі системи домінують у Всесвіті.
Чому класична версія закону має обмеження
У класичному вигляді перший закон термодинаміки чудово описує прості ситуації. Наприклад, якщо нагріти повітряну кульку, він точно пояснює, чому газ усередині стає гарячішим і чому кулька розширюється. Вся енергія, яку ми подали у вигляді тепла, переходить у зміну температури та об’єму — нічого не губиться.
Проблема починається тоді, коли система перестає бути «рівною». Закон добре працює лише за умов термодинамічної рівноваги — коли температура та енергія рівномірно розподілені. Але в реальному світі такі умови трапляються нечасто.
У космічній плазмі, в атмосферних явищах, у складних хімічних процесах або навіть у сучасних технологіях існують різкі перепади температури, щільності та інших параметрів. І в таких випадках класична формула першого закону перестає описувати всю картину.
Що саме вдалося з’ясувати дослідникам
Ключова ідея нової роботи полягає в тому, що в нерівноважних системах енергія розподіляється не лише через тиск і щільність — як це припускає традиційний підхід. Існує ціла низка додаткових параметрів, які беруть участь в енергетичних перетвореннях, але раніше просто «випадали» з рівнянь.
Команда знайшла математичний спосіб описати цю «втрачену» частину енергії. Фактично, вчені створили розширену версію першого закону термодинаміки, яка охоплює всі енергетичні процеси, а не лише найпростіші.
Ззовні це виглядає як складний набір формул, але для фізиків це справжній прорив: тепер з’явився інструмент, який дозволяє коректно рахувати енергію там, де раніше це було неможливо.
Навіщо це потрібно на практиці
Хоча відкриття здається суто теоретичним, його потенційні наслідки дуже практичні. Новий підхід може знайти застосування:
- у хімії та матеріалознавстві
- у мікроелектроніці та схемотехніці
- у квантових обчисленнях
- у дослідженнях космічної погоди та плазми
- у моделюванні процесів у зірках і міжпланетному просторі
Фактично, будь-яка сфера, де присутні складні енергетичні потоки, може виграти від більш точного опису фундаментальних процесів.
Старі закони — нові можливості
Перегляд настільки базових фізичних принципів відбувається вкрай рідко. Саме тому ця робота привернула увагу наукової спільноти. Вона показує, що навіть закони, сформульовані понад півтора століття тому, не є «закритою темою».
Наука рухається вперед не лише завдяки новим відкриттям, а й завдяки новому погляду на добре знайоме. І перший закон термодинаміки — яскраве підтвердження того, що навіть фундаментальні істини можуть отримати друге життя.