Madarak, amik nem ismerik Newton törvényét

Be kell vallanom – ez a sztori igazán meglepett. Úgy éreztem, everything I thought I knew about physics összetört egy kicsit. És hát nem vagyok fizikus!

A lényeg röviden: biztosan emlékezünk Newton harmadik törvényére az iskolából – minden akcióra egyenlő és ellentétes reakció jön. Ez az, amiért tudunk járni, autók mozognak, rakéták működnek, és miért száguld egy kilyukasztott lufi a szobában, mint egy koffeinbevitt harcművész.

Több mint 300 évig ez a szabály abszolút alapvetés volt. Olyan, mint a teherhordó falak az épületben – minden más erre épül.

De most jön a érdekes rész. A drezdai kutatók nemrég rájöttek, hogy a madárrajok úgy tűnik, udvariasan figyelmen kívül hagyják ezt a törvényt – és közben tökéletesen megvannak.

Mi történik itt valójában?

Amikor a madarak együtt repülnek – those mesmerizing murmurations, those beautiful wave patterns you see at sunset – nem figyelnek mindenkire maguk körül. Ehelyett minden madár csak a mellette és kicsit előtte lévő madarakat veszi észre. A mögötte lévők? Bocs, láthatatlan vagy.

Ez tulajdonképpen teljesen ésszerű a madár szempontjából. Előre és oldalra nézve információt kap arról, merre tart a raj. Ami mögötted van, az már mögötted van.

De itt jön a fizikai probléma: ez azt jelenti, hogy a madarak közötti kölcsönhatás nem kölcsönös. A madár A reagál B madárra, de B madár nem feltétlenül reagál egyformán A-ra. Nincs egyenlő és ellentétes reakció köztük. Csak egyirányú hatás.

A tudósok ezeket "nem-reciprok kölcsönhatásoknak" hívják, és mindenhol megtalálhatók a természetben – baktériumkolóniákban, emberi tömegben, még a testünk sejtcsoportjaiban is. A hagyományos fizika sosem igazán erre volt tervezve. Olyan, mintha süteményt akarnál sütni, de csak stir-frying-re való recepted van.

Az okos megoldás

A csapat, fizikus Marín Bukov vezetésével, nem adta fel. Ehelyett kreatívak lettek.

A megoldásuk igazán elegáns. Rájöttek, hogy "fiktív partnereket" adhatnak ezekhez a rendszerekhez – matematikai helyettesítőket, amik nem léteznek a valóságban, de működésre bírják az egyenleteket.

Gondoljunk erre úgy: hogy megértsük a madarak közötti egyirányú "beszélgetést", basically hozzáadunk egy képzeletbeli madarat minden valódi madár elé, ellenkező irányba haladva. Ezek a képzeletbeli madarak csak matematikai eszközök, nem valódi szárnyas lények. De velük a helyükön hirtelen minden standard fizikai eszközt használhatunk, ami kölcsönös kölcsönhatásokat feltételez.

"A új elmélet trükkje az, hogy construál egy partnert a rendszer minden komponenséhez – egy fiktív partner, ami nem létezik a természetben," magyarázza biofizikus Ricard Alert. "Az eredeti nem-reciprok kölcsönhatásokat felváltják a kölcsönös kölcsönhatások ezekkel a segéd-fokozatokkal."

Olyan ez, mint biciklire tett kiegészítő kerék, csak épp a kerekek segítenek olyan irányokba haladni, amiket az eredeti bicikli nem tudott volna.

Miért lenne ez fontos neked?

A tiszta "wow, a természet furcsább, mint gondoltuk" faktoron túl, ez számos okból számít.

Először is, segít a tudósoknak sokkal jobb szimulációkat készíteni biológiai rendszerekről. Modellezni akarod, hogyan terjed egy baktériumkolónia? Vagy megjósolni a tömeg viselkedését egy koncerten? Ez az új keretrendszer sokkal pontosabbá teszi ezeket a szimulációkat.

Másodszor, és itt válik igazán izgalmassá, a kutatók most azon töprengenek, vajon ez teljesen új felfedezésekhez vezethet-e a kvantumfizikában. Ha részecskéknek lehetnek ilyen nem-reciprok kölcsönhatásaik bizonyos szélsőséges körülmények között, vajon létrehozhat-e ez teljesen új formáit a kollektív viselkedésnek, amiket korábban nem láttunk?

"Azt még nagyon keveset tudjuk arról, vajon ezek a kivételek Newton törvénye alól teljesen új formái-e a kollektív kvantumviselkedésnek – és épp ez teszi ezt annyira lenyűgözővé," mondja fizikus Roderich Moessner.

A nagy kép

Imádom ezt a sztorit, mert emlékeztet minket, hogy még a legalapvetőbb természeti törvényeinknek is vannak edge case-jei, ahol nem egészen működnek. Newton nem téved – a harmadik törvénye még mindig sziklaszilárd azokra a helyzetekre, amikre tervezték. De a természet módokat talált arra, hogy megkerülje ezt komplex rendszerekben, és most már van matematikai keretrendszerünk, ami segít megérteni, hogyan.

Néha az univerzum kreatívabb, mint amire a tankönyveink számítanak.

És őszintén? Gyönyörűnek találom a gondolatot, hogy egy seregélyraj az esti égen táncol, miközben casually defying one of the most famous rules in all of physics – és egyikük sem tud róla.

Na az aztán igazi csapatmunka.