Το πέταγμα των πτηνών
Τα πτηνά μπορούν να δουν πολλά από αυτά που συμβαίνουν γύρω τους, αλλά όταν πετούν σε σμήνος, αντιδρούν μόνο στα πουλιά δίπλα τους ή μπροστά τους. Δεν προσαρμόζουν την κίνησή τους με βάση τα πουλιά πίσω τους. Ως αποτέλεσμα, η συμπεριφορά του σμήνους φαίνεται να παραβιάζει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, την αρχή της δράσης και της αντίδρασης που συχνά συνοψίζεται ως «για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση».
Στην καθημερινή ζωή, ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα είναι παντού. Όταν τρέχουμε, τα πόδια μας πιέζουν το έδαφος και το έδαφος πιέζει προς τα πίσω με ίση δύναμη προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η ίδια αρχή ισχύει όταν οδηγούμε αυτοκίνητο, κωπηλατούμε βάρκα, πηδάμε ή απελευθερώνουμε αέρα από ένα αερόστατο. Καθώς ο αέρας ορμάει προς τη μία κατεύθυνση, το αερόστατο κινείται προς την άλλη. Αυτός ο νόμος αποτελεί θεμέλιο της κλασικής μηχανικής για περισσότερα από 300 χρόνια. Όπως εξηγεί ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Marín Bukov, «Ό,τι και αν διδάσκουμε συνήθως στους φοιτητές μας στη θεωρητική μηχανική, τελικά βασίζεται στην αρχή της δράσης-αντίδρασης».
Τα σμήνη πουλιών, τα βακτηριακά σμήνη, τα πλήθη ανθρώπων και οι ομάδες κυττάρων ιστών συμπεριφέρονται διαφορετικά. Τα άτομα σε αυτά τα συστήματα αντιδρούν μόνο σε ένα μέρος του περιβάλλοντός τους και όχι σε όλα γύρω τους. Επειδή η επιρροή ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση, ο συνήθης κανόνας ότι η δράση και η αντίδραση είναι ίσες δεν ισχύει πλέον. Οι φυσικοί αναφέρονται σε αυτές ως μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις.
Μέχρι τώρα, οι υπάρχουσες θεωρίες που έχουν σχεδιαστεί για αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις δεν μπορούσαν να περιγράψουν πλήρως τέτοια συστήματα, καθιστώντας δύσκολες τις ακριβείς και αποτελεσματικές προσομοιώσεις. Ωστόσο, οι προσομοιώσεις είναι απαραίτητες για τη μελέτη των πάντων, από τις βιολογικές διεργασίες στο ανθρώπινο σώμα έως τη συλλογική κίνηση σμηνών και σμηνών.
Ερευνητές στη Δρέσδη, σε συνεργασία με τον φυσικό Roderich Moessner, έχουν πλέον αναπτύξει μια λύση σε αυτό το μακροχρόνιο πρόβλημα. Ο Moessner είναι Κύριος Ερευνητής στο Cluster of Excellence ctd.qmat του Würzburg-Dresden (Πολυπλοκότητα, Τοπολογία και Δυναμική στην Κβαντική Ύλη) και διευθυντής του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική Σύνθετων Συστημάτων στη Δρέσδη.
Newton Reloaded: Οι φυσικοί στη Δρέσδη βρίσκουν μια κομψή λύση
«Η ερευνητική ομάδα έχει αναπτύξει και αποδείξει μια θεωρία που κάνει πολλά από αυτά που διδάσκουμε στους φοιτητές μας εφαρμόσιμα και σε μη αμοιβαία συστήματα. Αυτά τα συστήματα, όπου ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα δεν ισχύει, μπορούν πλέον επιτέλους να περιγραφούν και να προσομοιωθούν με ακρίβεια, ακόμη και χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους. Αυτό είναι ακριβώς το είδος του εργαλείου που έλειπε τα τελευταία χρόνια», λέει ο Bukov.
Οι ερευνητές το πέτυχαν αυτό επεκτείνοντας το παραδοσιακό πλαίσιο δράσης-αντίδρασης. Η προσέγγισή τους επιτρέπει την ανάλυση μη αμοιβαίων συστημάτων χρησιμοποιώντας εργαλεία που αναπτύχθηκαν αρχικά για αμοιβαία συστήματα μέσω της εισαγωγής πρόσθετων τεχνητών μεταβλητών.
Οι φυσικοί συχνά αναπαριστούν συστήματα πραγματικού κόσμου με μαθηματικές εξισώσεις, όπου κάθε μεταβλητή αντιστοιχεί σε μια πραγματική ιδιότητα, όπως η θέση ή η ταχύτητα ενός πουλιού, η θέση ενός ψαριού μέσα σε ένα κοπάδι ή η θέση ενός αυτοκινήτου στην κυκλοφορία.
«Το κόλπο πίσω από τη νέα θεωρία είναι ότι κατασκευάζει έναν συνεργάτη για κάθε στοιχείο του συστήματος, έναν φανταστικό συνεργάτη που δεν υπάρχει στη φύση. Οι αρχικές μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις αντικαθίστανται από αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις με αυτούς τους βοηθητικούς βαθμούς ελευθερίας», εξηγεί ο βιοφυσικός Ricard Alert, συνάδελφος του Bukov.
Για ένα σμήνος πουλιών, η μέθοδος λειτουργεί προσθέτοντας ένα φανταστικό αντίστοιχο σε κάθε πραγματικό πουλί. «Για να προσομοιώσουμε με ακρίβεια τις κινήσεις των πουλιών, περιγράφουμε το δυναμικό σύστημα «σμήνος πουλιών» χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους, σαν να ήταν ένα αμοιβαίο σύστημα, παρόλο που δεν είναι. Η κομψή λύση είναι να τοποθετήσουμε τεχνητά ένα φανταστικό πουλί μπροστά από κάθε πραγματικό πουλί, ευθυγραμμισμένο ακριβώς στην αντίθετη κατεύθυνση», λέει ο Alert.
Τοποθέτηση των Αποτελεσμάτων στο Πλαίσιο, Προοπτικές
Η χρήση βοηθητικών βαθμών ελευθερίας δεν είναι μια νέα έννοια στη φυσική. Αυτό που είναι καινούργιο είναι η εφαρμογή τους με τρόπο που απλοποιεί τη μελέτη συστημάτων με μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις.
Η προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να επωφεληθούν από το καθιερωμένο πλαίσιο της φυσικής πολλών σωμάτων, βελτιώνοντας παράλληλα την ακρίβεια των προσομοιώσεων. Το πιο σημαντικό είναι ότι παρέχει μια βαθύτερη κατανόηση του πώς λειτουργούν αυτά τα συστήματα, δημιουργώντας μια βάση για μελλοντικές ανακαλύψεις.
«Στο Βίρτσμπουργκ και τη Δρέσδη, μελετάμε την κβαντική ύλη της οποίας τα σωματίδια αλληλεπιδρούν υπό ορισμένες συνθήκες με τρόπους που δημιουργούν νέα φαινόμενα όπως ο μαγνητισμός ή η μεταφορά ρεύματος χωρίς απώλειες. Το συναρπαστικό ερώτημα τώρα είναι αν αυτές οι εξαιρέσεις από τον νόμο του Νεύτωνα οδηγούν σε εντελώς νέες μορφές συλλογικής κβαντικής συμπεριφοράς. Γνωρίζουμε ακόμα πολύ λίγα γι' αυτό, και αυτό ακριβώς το κάνει τόσο συναρπαστικό», λέει ο Μέσνερ.
www.worldenergynews.gr
