Følelse ude af ligevægt i en dobbelt geometrisk verden:En ny teori for ikke-lineære dissipative fænomener

At tabe energi er sjældent en god ting, men nu har forskere i Japan vist, hvordan man kan udvide anvendeligheden af ​​termodynamik til systemer, der ikke er i ligevægt. Ved at indkode energidissipationsrelationerne på en geometrisk måde, var de i stand til at støbe de fysiske begrænsninger i et generaliseret geometrisk rum. Dette arbejde kan i væsentlig grad forbedre vores forståelse af kemiske reaktionsnetværk, herunder dem, der ligger til grund for metabolismen og væksten af ​​levende organismer.

Termodynamik er den gren af ​​fysikken, der beskæftiger sig med de processer, hvorved energi overføres mellem enheder. Dens forudsigelser er afgørende for både kemi og biologi, når det skal afgøres, om visse kemiske reaktioner eller indbyrdes forbundne netværk af reaktioner vil forløbe spontant. Men mens termodynamikken forsøger at etablere en generel beskrivelse af makroskopiske systemer, støder vi ofte på vanskeligheder med at arbejde på systemet uden for ligevægt. Succesfulde forsøg på at udvide rammerne til ikke-ligevægtssituationer har normalt kun været begrænset til specifikke systemer og modeller.

I to nyligt offentliggjorte undersøgelser i Physical Review Research , viste forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo, at komplekse ikke-lineære kemiske reaktionsprocesser kunne beskrives ved at transformere problemet til en geometrisk dobbelt repræsentation. "Med vores struktur kan vi udvide teorier om ikke-ligevægtssystemer med kvadratiske dissipationsfunktioner til mere generelle tilfælde, som er vigtige for at studere kemiske reaktionsnetværk," siger førsteforfatter Tetsuya J. Kobayashi.

I fysik er dualitet et centralt begreb. Nogle fysiske entiteter er lettere at fortolke, når de transformeres til en anden, men matematisk ækvivalent, repræsentation. Som et eksempel kan en bølge i tidsrummet transformeres til sin repræsentation i frekvensrummet, som er dens dobbelte form. Når man beskæftiger sig med kemiske processer, er termodynamisk kraft og flux de ikke-lineært relaterede dobbelte repræsentationer - deres produkt fører til den hastighed, hvormed energi tabes til spredning - i et geometrisk rum induceret af dualiteten, var forskerne i stand til at vise, hvordan termodynamiske forhold kan generaliseres selv i tilfælde uden ligevægt.

"De fleste tidligere undersøgelser af kemiske reaktionsnetværk byggede på antagelser om systemets kinetik. Vi viste, hvordan de kan håndteres mere generelt i tilfælde af uligevægt ved at anvende dualiteten og tilhørende geometri," siger sidste forfatter Yuki Sughiyama. At besidde en mere universel forståelse af termodynamiske systemer og udvide anvendeligheden af ​​ikke-ligevægtsterodynamik til flere discipliner kan give et bedre udsigtspunkt til at analysere eller designe komplekse reaktionsnetværk, såsom dem, der bruges i levende organismer eller industrielle fremstillingsprocesser. + Udforsk yderligere

Livets termodynamik tager form