编辑|蝴蝶兰
热力学第一定理强调，能量既不能陡然形成，也不能陡然消失，只能从一个物体转移到另一个物体，但是能量的方式也可以转换。
西佛罗里达学院等离子体化学中心Paul院长兼副校长和数学与天文学系研究生研究助理Hasan正在研究太空中过热等离子体的能量转换。将彻底改变对空间和实验室中等离子体怎么加热的理解，并可能对化学学和其他科学形成深远影响。
这一发觉以「in-OrderPhaseSpacein」为题发表在《物理评论快报》（）刊物上，
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「假设你加热了一个汽球，」说。「热力学第一定理告诉你汽球膨胀了多少，以及汽球内部的二氧化碳显得多热。关键是造成汽球膨胀和二氧化碳变热的总能量与你装入汽球的热量相同。第一定理被拿来描述好多事情——包括冰柜和车辆底盘的工作原理。它是数学学的支柱之一。」
Paul。
热力学第一定理诞生于19世纪50年代，仅适用于可以正确定义体温的系统，即所谓的平衡状态。比如，一杯冰水和一杯冷水混和在一起，最终会达到二者之间的「温暖」温度，这个「温暖」的气温就是平衡。但是，当冷水和热水还没有达到那种终点时，水就丧失了平衡。同样，在现代科学的许多领域，系统也不处于平衡状态。
100多年来热力学第2定律，研究人员仍然企图将第一定理扩充到不处于平衡状态的普通材料，但这些理论只有在系统接近平衡时——即冷水和热水几乎混和时——才有效。比如，这种理论在远离平衡的空间等离子体中不起作用和的工作弥补了这一限制的空白。「我们将热力学第一定理推广到非平衡系统。」说。「我们进行了估算，以确定有多少能量与不平衡的物质相关，无论系统接近或远离平衡，它都有效。」
她们的研究有许多潜在的应用。该理论将帮助科学家了解太空中的等离子体，这对于打算应对太空天气十分重要。当太阳大气中的巨大喷发将过热等离子体喷射到太空时，才会发生太空天气。它可能造成停水、卫星通讯中断和客机改道等问题。「这一结果代表着我们在理解上迈出了一大步。」说。「到目前为止，我们研究领域的最新技术是仅考虑与膨胀和加热相关的能量转换，但我们的理论提供了一种方式来估算非平衡状态下的所有能量。」
依据能量转换通道对相空间密度fσ的影响显示能量转换通道的示意图。（来源：论文）
「因为热力学第一定理的应用这么广泛，」说热力学第2定律，「我们希望各个领域的科学家都能使用我们的结果。比如，它可能有助于研究高温等离子体，这对半导体和电路行业的刻蚀很重要，以及物理和量子估算等其他领域。它还可能有助于天文学家研究星体怎样随时间演进。
与和相关的开创性研究正在西佛罗里达学院动力学实验、理论和综合估算等离子体化学中心的PHAse空间映射实验中进行。「正在对不平衡的等离子体中的能量转换进行与空间相关的检测。这种检测结果在全世界都是独一无二的，」说。同样，他和取得的突破将改变等离子体和空间化学学的面貌，这些创举并不常常发生。
「物理学定理并不多——牛顿定理、电磁定理、热力学三大定理和量子热学定理，」物理与天文学系院长兼临时主席说。「对那些早已存在了150多年的定理之一进行改进是一项重大成就。」
「这些新的第一性原理造成了应用于等离子体的非平衡统计热学，这是NSF[推动科学进步]使命所促使的学术研究的一个挺好的反例，」美国国家科学基金会等离子体化学学项目组长Lukin说。
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