Ятата птици, които нарушават третия закон на Нютон: Решението на загадката

Птиците имат широко зрително поле. И все пак, когато летят на ято, те се ориентират само според птиците пред тях или до тях.

Една птица реагира на птиците пред и до нея, а не на тези зад нея, така че влиянието ѝ върху съседа отзад не е съпроводено с равно и противоположно влияние в замяна. Физиците наричат ​​това нереципрочно взаимодействие и то се проявява в рояци, тълпи и жива тъкан.

Ятото сякаш противоречи на третия закон на Нютон - принципът на действието и противодействието, често обобщаван като "за всяко действие има равно и противоположно противодействие". Когато тичаме например, краката ни се отблъскват от земята, а земята се отблъсква с равна, но противоположна сила. Същият принцип действа, когато караме кола, скачаме, гребем или изпускаме въздух от балон: когато въздухът се изхвърли назад, балонът лети напред. Ежедневието е пълно с движения, които се подчиняват на третия закон, но в известен смисъл, не важи за птиците.

Оказва се, че той не е приложим за много неща. Колонии бактерии, тълпи от хора, клетки, които се вплитат в тъкан: във всички тези случаи частите реагират само на част от това, което ги заобикаля, и влиянието е еднопосочно, а не двупосочно.

Физиците наричат ​​тези едностранчиви връзки нереципрочни взаимодействия и от години те са истинско предизвикателство. Проблемът не е, че тези системи са мистериозни; уравненията на движението може да го опишат достатъчно добре. Проблемът е, че почти всеки мощен инструмент в комплекта на теоретика – енергийните функции, преките пътища, бързите методи за симулация – приема принципа на даване и вземане от третия закон на Нютон. Ако това бъде премахнато, кутията с инструменти горе-долу се изпразва.

"Каквото и да преподаваме на студентите си по теоретична механика", отбелязва нашият сънародник Марин Буков (Marin Bukov) от Института за физика на сложни системи "Макс Планк" в Дрезден, в крайна сметка се основава на действие и противодействие.

Така Буков и колегите му са направили нещо малко хитро. Вместо да преработват механиките от нулата за неудобните случаи, те ги връщат обратно в рамката, която вече работи.

Фиктивен партньор за всяка птица

Колективни системи като птичи ята, бактериални колонии и мигриращи тъканни клетки често показват взаимодействия, които нарушават третия закон на Нютон, тъй като отделните членове реагират само на избрани части от средата си, а не еднакво един на друг. Физици от Клъстера за върхови постижения ct.qmat в Дрезден са разработили нова теоретична рамка, която точно улавя и симулира тези "нереципрочни" взаимодействия. Ключовата иновация е въвеждането на помощни степени на свобода, илюстрирани тук като зелени птици, които осигуряват гъвкавостта, необходима за моделиране на системи, където действието и реакцията не са балансирани. Този подход позволява по-точни описания на сложни колективни поведения, които попадат извън предположенията на конвенционалната физика. Кредит: Kilian Neddermeyer

Подходът, публикуван тази седмица в Nature Physics, се основава на изобретяването на елементи, които не съществуват. За всеки реален компонент в системата екипът добавя спомагателен партньор, един вид математически призрак, който физически не съществува. След това те подреждат взаимодействията така, че оригиналните еднопосочни връзки да се възпроизвеждат точно чрез перфектно реципрочни връзки между реалните части и техните измислени близнаци.

Ето как работи: теоретичните физици обикновено моделират природата в уравнения. Всяка променлива описва степен на свобода, която действително съществува - като например позицията или скоростта на птица, позицията на риба в пасаж или позицията на автомобил в движение.

"Номерът зад новата теория е че тя конструира партньор за всеки компонент на системата, фиктивен партньор, който не съществува в природата. Първоначалните нереципрочни взаимодействия се заменят с реципрочни взаимодействия с тези спомагателни степени на свобода", обяснява колегата на Буков, Рикард Алерт (Ricard Alert), биофизик в екипа.

Рецептата е: Поставя се въображаема птица директно пред всяка истинска, насочена в точно обратната посока. Според Алерт това е елегантно решение: да се опише ятото като добре развита реципрочна система, въпреки че очевидно не е такава, и се оставят фантомните птици да абсорбират асиметрията.

Има един нюанс и той е същността на всичко. Призракът трябва да е огледалното отражение на реалния си еквивалент, антипаралелен, заключен под фиксиран ъгъл, и това условие за огледално отражение трябва да е налице, за да може цялото изчисление да се сведе обратно в оригиналната еднопосочна физика.

Изследователите от Дрезден доказват, че е необходимо да се наложи това ограничение само веднъж, в самото начало. Ако го се настроят правилно в нулевия момент, уравненията ще продължат да се изпълняват сами, като фантомът винаги ще отразява птицата си - партньор, така че удвоената, фиктивна система ще продължава постоянно да генерира истинската динамика на реалната система. Ако ограничението се снеме, просто ще стане симулация на някакъв друг, реципрочен свят, който споделя една и съща начална точка.

Поставяне на резултатите в контекст, перспектива

Въвеждането на спомагателни степени на свобода не е нищо ново във физиката. Новото обаче е, че тези спомагателни степени на свобода сега улесняват изучаването на системи с нереципрочни взаимодействия. От една страна, това позволява на изследователите да използват установената теоретична рамка на физиката на многото тела. От друга страна, това позволява нереципрочните системи да бъдат симулирани с много по-голяма точност. Преди всичко, откритията задълбочават фундаменталното разбиране на физиците за тези процеси – и такова разбиране винаги е основа за бъдещи открития.

"Във Вюрцбург и Дрезден изучаваме квантова материя, чиито частици взаимодействат при определени условия по начини, които пораждат нови явления като магнетизъм или пренос на ток без загуби. Вълнуващият въпрос сега е дали тези изключения от закона на Нютон водят до изцяло нови форми на колективно квантово поведение. Все още знаем много малко за това - и точно това прави това толкова завладяващо“, казва Мьоснер.

Някои въпроси

Наистина ли ятата птици нарушават закон на физиката?

Не в смисъл на грешка на физиката, но те нарушават третия закон на Нютон, както обикновено се казва. Птицата реагира на птиците пред и до нея, а не на тези зад нея, така че влиянието ѝ върху съседа не е съпроводено с равно и противоположно влияние в замяна. Физиците наричат ​​това нереципрочно взаимодействие и то се проявява в рояци, тълпи и жива тъкан.

Какво е спомагателна степен на свобода, казано по-просто?

Това е измислена променлива без физическа реалност, добавена единствено, за да се осигури правилното изчисление. Чрез сдвояване на всеки реален компонент с огледален образ-призрак и реципрочното им свързване, изследователите възпроизвеждат оригиналната еднопосочна динамика в рамка, която предполага взаимовръзка. Призраците никога не е необходимо да съществуват; те просто трябва да бъдат правилно отчетени.

Защо е важно да се симулират тези системи?

Ефективната симулация е начинът, по който изследователите изучават неща като колективното движение на клетките в тялото или вихрушката на рояк. Без описание, базирано на енергия, учените до голяма степен бяха принудени да работят с бавни, директни симулации на суровите уравнения. Новият метод отключва по-бързи, по-добре разбрани инструменти, които преди това бяха неизползваеми за тези системи.

Може ли това да доведе до нещо в квантовата физика?

Това е отворената надежда. Екипът работи върху квантови материали, където частиците си сътрудничат, за да произведат ефекти като магнетизъм, и те подозират, че нереципрочните взаимодействия могат да генерират изцяло нови форми на колективно квантово поведение. Никой все още не знае, което е част от причината да се прави тази посока вълнуваща.

Справка: Shi, YB., Moessner, R., Alert, R. et al. Hamiltonian description of non-reciprocal interactions. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03317-0

Източници: 

Physicists Build a Workaround for the Flocks of Birds That Break Newton's Third Law, ScienceBlog.com

Newton reloaded: Dresden physicists go beyond the action–reaction principle, Technische Universität Dresden

Още по темата

24/10/2023

Животът

Човешките сперматозоиди са нарушители на закона...за движението на Нютон

19/07/2023

Физика

Триене, което ускорява движението на обекта

22/11/2021

Математика

Нова теория за системи, които се противопоставят на третия закон на Нютон (видео)

06/04/2021

Физика

И отново заключението е: EmDrive не работи