Вчені, ймовірно, розв’язали 125-річну загадку фізики

Це наближає нас, як людство, до розуміння фундаментальних законів природи та може змінити підходи до моделювання складних фізичних явищ, таких як погода чи турбулентність, інформує 24 Канал з посиланням на Університет Західної Вірджинії.

Що відкрили науковці та як це було зроблено

Юй Дэнг з Університету Чикаго разом із колегами Захером Хані та Сяо Ма з Університету Мічигану розробили новий математичний підхід, який логічно пов’язує рух окремих частинок, описаний законами Ньютона, із рівняннями, що характеризують поведінку рідин, зокрема системою Нав’є-Стокса.

Їхня робота спирається на кінетичне рівняння Больцмана, яке враховує ймовірність руху частинок із певними швидкостями. Команда розширила попередні ідеї, зокрема часткове рішення Оскара Ланфорда, показавши, що рівняння Больцмана діє значно довше, ніж вважалося раніше.

Однією з ключових проблем було пояснення хаотичних зіткнень частинок на коротких часових масштабах. Вчені подолали це, використовуючи діаграми Фейнмана для відстеження взаємодій у часі без логічних суперечностей.

Це також допомогло розв’язати давню загадку про напрямок часу: у класичній механіці час симетричний (можна обчислювати рух вперед чи назад), але в термодинаміці він рухається лише в одному напрямку. Їхній підхід пояснює, як ця односторонність виникає з правил, що не віддають перевагу жодному напрямку.

Таким чином, дослідники об’єднали три рівні: індивідуальні зіткнення частинок, кінетичну картину та класичні моделі рідин. Ця уніфікована модель може стати основою для точнішого опису фізичних процесів на різних масштабах.

Цікаво! З препринтом наукової статті можна ознайомитися на arXiv.

Чому це важливо

Уявіть, що світ складається з мільярдів крихітних частинок, які рухаються хаотично, але разом створюють щось зрозуміле, як-от потік води в річці чи вітер, що дме вам в обличчя. Це відкриття пояснює, як ці дрібні рухи формують великі, видимі явища, і допомагає нам краще передбачати, наприклад, погоду чи поведінку океанів.

Роль цієї роботи полягає в тому, що вона створює математичний міст між мікросвітом (рухом окремих частинок) і макросвітом (великими системами, як рідини чи гази). Це може покращити моделі прогнозування погоди, кліматичних змін, океанських течій і навіть допомогти в проектуванні ефективніших двигунів.

Крім того, вона додає ясності у розуміння турбулентності – складного явища, яке досі залишається загадкою, але впливає на авіацію, метеорологію та багато інших сфер.

Що далі

Наразі результати дослідження чекають на офіційне рецензування. Науковці планують розширити свої методи, застосувавши їх до плазми, геофізичних процесів і навіть квантових систем. Якщо ці ідеї підтвердяться, вони можуть надихнути на нові дослідження складних рідин і відкрити шлях до глибшого розуміння фундаментальних законів природи.