پایانِ عصرِ نیوتن و کلازیوس؛ بازنویسی قانون اول ترمودینامیک
پژوهشگران با بازتعریف دامنه قانون اول ترمودینامیک نشان دادهاند که این اصل بنیادی میتواند برای توصیف سامانههای پیچیده و خارج از تعادل نیز به کار رود.
فرارو- در جهانی که بسیاری از پدیدههای طبیعی از تعادل ساده فاصله دارند، این نگاه تازه به یکی از قدیمیترین قوانین فیزیک میتواند مسیر فهم ما از رفتار انرژی در طبیعت و فناوریهای پیشرفته را تغییر دهد.
به گزارش فرارو به نقل از پاپیولرمکانیکس، قانون اول ترمودینامیک، یکی از بنیادیترین اصول فیزیک، حالا وارد مرحلهای تازه شده است؛ مرحلهای که پژوهشگران آن را نه اصلاحی جزئی، بلکه بازتعریفی اساسی از دامنه کاربرد این قانون توصیف میکنند. گروهی از دانشمندان به رهبری محققان دانشگاه ویرجینیای غربی، در مقالهای علمی نشان دادهاند که این قانون میتواند بسیار فراتر از آنچه تاکنون تصور میشد، به کار گرفته شود؛ دستاوردی که ممکن است نگاه ما به سامانههای پیچیده انرژی را دگرگون کند.
قانون اول ترمودینامیک از ستونهای اصلی فیزیک به شمار میرود. حتی اگر علاقهای جدی به پژوهشهای فیزیکی نداشته باشید، احتمالاً نسخه سادهشده آن را شنیدهاید: انرژی نه خلق میشود و نه از بین میرود، بلکه تنها از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود. این اصل ساده، دهههاست که مبنای درک ما از رفتار انرژی در طبیعت و فناوری است.
پل کساک، نویسنده اصلی این پژوهش، برای توضیح کاربرد کلاسیک این قانون مثالی ملموس ارائه میدهد: «فرض کنید یک بادکنک را گرم میکنید. قانون اول ترمودینامیک به شما میگوید بادکنک چقدر منبسط میشود و گاز داخل آن چقدر گرمتر خواهد شد. نکته کلیدی این است که مقدار کل انرژیای که باعث انبساط بادکنک و افزایش دمای گاز میشود، دقیقاً برابر با مقدار گرمایی است که به بادکنک دادهاید.»
از زمان تدوین این قانون در دهه ۱۸۵۰ میلادی، فیزیکدانان بهطور گسترده از آن استفاده کردهاند. اما این قانون یک محدودیت مهم داشته است: بهطور سنتی فقط برای سامانههایی بهخوبی کار میکرد که در حالت تعادل ترمودینامیکی یا نزدیک به آن قرار دارند. تعادل ترمودینامیکی به این معناست که دما در سراسر یک سامانه یکنواخت است؛ نقاط بسیار گرم یا بسیار سرد وجود ندارد و در نتیجه، انرژی تقریباً بهطور مساوی در کل سامانه توزیع شده است.
مشکل از جایی آغاز میشود که جهان واقعی، بهویژه در مقیاسهای بزرگ و پیچیده، بهندرت چنین شرایط ایدهآلی دارد. امروزه دانشمندان تلاش میکنند به پرسشهایی بسیار دقیقتر و پیچیدهتر درباره جهان پاسخ دهند؛ پرسشهایی که اغلب با سامانههایی سروکار دارند که بههیچوجه در تعادل نیستند. اگرچه در زندگی روزمره کمتر با این سامانهها مواجه میشویم، اما در کیهان بسیار رایجاند. نمونه بارز آن پلاسماهای فضایی است که از اجرام دنبالهدار گرفته تا لایههای بیرونی ستارگان، همهجا حضور دارند.
دستاورد اصلی این تیم پژوهشی، نتیجه سالها کار ریاضی پیچیده است. در سامانههایی که در تعادل ترمودینامیکی قرار دارند، تبدیل انرژی تقریباً بهطور کامل با دو کمیت اصلی توصیف میشود: چگالی و فشار. اما در سامانههای پیچیدهتر و خارج از تعادل، این دو عامل بهتنهایی کافی نیستند.
کساک در توضیح این موضوع میگوید: «خارج از تعادل، قانون اول ترمودینامیک همچنان فقط تبدیل انرژی را در فرایندهایی توصیف میکند که چگالی و دما را تغییر میدهند. آنچه ما کشف کردیم این است که تمام کمیتهای دیگری که وضعیت یک گاز، مایع یا پلاسما را در حالت خارج از تعادل توصیف میکنند، عملاً از چارچوب این قانون کنار گذاشته شدهاند.»
چالش اصلی پژوهشگران دقیقاً همینجا بود: چگونه میتوان تمام آن بخش از تبدیل انرژی را که با چگالی و فشار توضیح داده نمیشود، بهصورت دقیق کمیسازی کرد؟ پاسخ، در قالب یک چارچوب ریاضی جدید به دست آمد؛ چارچوبی که اگرچه برای چشم غیرمتخصص مجموعهای پیچیده و گیجکننده از معادلات به نظر میرسد، اما برای فیزیکدانان سرشار از امکان و چشمانداز تازه است.
پیامدهای بالقوه این بازتعریف بسیار گستردهاند. از شیمی و طراحی مدارهای الکترونیکی گرفته تا محاسبات کوانتومی و حتی پیشبینی و تحلیل «آبوهوای فضایی»، همگی میتوانند از این درک دقیقتر از تبدیل انرژی بهره ببرند. سامانههایی که پیشتر بهدلیل پیچیدگیشان بهسختی قابل توصیف بودند، حالا میتوانند با دقت بیشتری بررسی شوند.
چنین تغییراتی در درک ما از قوانین پایه فیزیک، اتفاقی نادر است. اما وقتی رخ میدهد، میتواند تأثیری عمیق و ماندگار نهتنها بر خود علم فیزیک، بلکه بر شاخههای وابسته به آن بگذارد. این پژوهش یادآور نکتهای مهم است: حتی قوانینی که بیش از یک قرن قدمت دارند، اگر با نگاهی تازه و عمیقتر به آنها بنگریم، میتوانند دوباره زنده شوند و افقهای جدیدی پیش روی علم بگشایند.
