Входит Кун Ширай из Университета Осаки. В статье, опубликованной в журнале Foundations, Шираи соединяет традиционную физическую теорию и изучение неравновесных материалов, чтобы дать надежное описание термодинамики стекол.

Большинство материалов существуют в равновесном состоянии, что означает, что все силы и крутящие моменты, действующие на атомы материала, сбалансированы. Стекла, однако, являются известным исключением: они представляют собой аморфные твердые материалы, атомы которых всегда перестраиваются, хотя и очень медленно, в направлении равновесного состояния, но не существуют в равновесии.

"Если сравнить атомные структуры стекол и кристаллов, то на самом деле они очень разные", - говорит Шираи. "В кристаллах атомы расположены аккуратными решетками, в то время как в стеклах атомы более неорганизованны, подобно жидкости. Таким образом, традиционно принято думать о стаканах как о неравновесных жидкостях, которые текут очень, очень медленно."

Это отсутствие равновесного состояния представляло серьезную проблему для поколений физиков. Поскольку стекла технически не находятся в равновесии, стандартные законы термодинамики к ним неприменимы, что затрудняет их анализ.

"В термодинамике системы обычно характеризуются в терминах переменных, называемых параметрами порядка", - объясняет Шираи. "Параметры порядка могут использоваться для описания того, в каком состоянии находится материал или насколько он близок к изменению состояний. Однако парадокс заключается в том, что стекла по своей сути неупорядочены, так как же нам осмысленно определить такие параметры для этих материалов?"

Чтобы ответить на этот вопрос, Шираи пришлось по-новому определить, что означает "равновесие": в его концепции материал находится в равновесии, если из него нельзя извлечь энергию, не воздействуя на окружающую среду. С этой точки зрения, стекла на самом деле находятся в равновесии, и инструменты термодинамики могут быть применены с некоторой модификацией.

"Можно показать, что параметры порядка - это не что иное, как усредненные по времени положения атомов", - говорит Шираи. "Таким образом, мы можем объединить термодинамическое описание стекол с описанием других твердых материалов, таких как кристаллы".

Шираи считает, что эта новая формулировка поможет пролить свет на физику других материалов, которые обычно классифицируются как находящиеся вне равновесия, таких как биологические системы. Благодаря его исследованиям, возможно, пройдет совсем немного времени, прежде чем мы получим полное термодинамическое описание других непериодических и сложных материалов.