Kun linnut rikkovat fysiikan lakia — ja kukaan ei ilmoita asiasta

Okei, myönnän reilusti: tämä juttu sai minut tuntemaan, että kaikki mitä luulin tietäväni fysiikasta oli yhtäkkiä vähän huteralta pohjalta. Ja en ole edes fyysikko!

Mistä tässä on kyse?

Muistatko varmasti koulusta Newtonin kolmannen lain: jokaista toimintaa seuraa yhtä suuri ja vastakkainen reaktio. Se on se juttu, jonka ansiosta pystyt kävelemään (jalkasi työntävät taaksepäin maata, maa työntää sinua eteenpäin), miksi autot liikkuvat, miksi raketteja laukaistaan — ja miksi tyhjennetty ilmapallo poukkoilee dojangissa kuin kahvin yliannostuksen saanut ninjalegenda.

Yli 300 vuoden ajan tämä periaate on ollut absolute peruskallio. Se on yksi niistä säännöistä, joihin klassinen fysiikka nojaa — kuin talosi kantavat seinät.

Mutta sitten tapahtuu jotain outoa. Saksalaiset tutkijat Dresdenissä keksivät äskettäin, että lintuparvet näyttävät kohteliaasti sivuuttavan tämän lain — ja pääsevät siitä täysin ilman seuraamuksia.

Mitä oikeasti tapahtuu?

Kun linnut lentävät yhdessä niissä upeissa murmuraatioissa (ne kauniit aaltomaiset kuviot, jotka näet auringonlaskussa), ne eivät kiinnitä huomiota kaikkiin ympärillään oleviin. Sen sijaan jokainen lintu huomioi vain viereisensä ja hieman edessä olevat. Takana olevat linnut? Anteeksi, te olette näkymättömiä.

Lintujen kannalta tämä on itse asiassa aika järkevää. Eteen ja sivuille katsoessa saat tietoa siitä, mihin parvi on menossa. Mikä on takana, on, no, takana.

Mutta tässä on fysikaalinen ongelma: se tarkoittaa, että lintujen välinen vuorovaikutus ei ole molemminpuolista. Lintu A reagoi Lintuun B, mutta Lintu B ei välttämättä vastaa yhtä voimakkaasti Lintuun A. Niiden välillä ei tapahdu yhtä suurta ja vastakkaista reaktiota. Vain yhdensuuntainen vaikutus.

Tutkijat kutsuvat näitä "epävastavuorisiin vuorovaikutuksiksi", ja niitä esiintyy kaikkialla luonnossa — bakteeripesäkkeissä, ihmisjoukoissa, jopa kehosi soluryhmissä. Perinteinen fysiikka ei oikeastaan koskaan suunniteltu tällaisia tilanteita varten. Se on kuin yrittäisi käyttää leivontaohjetta, kun tarvitset ohjeita wokkaukseen.

Nerokas korjausliike

Tutkimusryhmä, jonka johtajana toimi fyysikko Marín Bukov, ei heittänyt pyyhettä kehiin turhautumisesta. Sen sijaan he olivat luovia.

Heidän ratkaisunsa on aidosti elegantti. He ymmärsivät, että voisivat lisätä näihin järjestelmiin "kuvitteellisia kumppaneita" — matemaattisia paikkaajia, joita ei oikeasti ole olemassa, mutta jotka saavat yhtälöt toimimaan.

Ajattele asiaa näin: yksisuuntaisen keskustelun ymmärtämiseksi lintujen välillä lisäät käytännössä kuvitteellisen linnun jokaisen oikean linnun eteen, joka liikkuu vastakkaiseen suuntaan. Nämä kuvitteelliset linnut ovat vain matemaattisia työkaluja, eivät todellisia höyhenpeitteisiä otuksia. Mutta kun ne ovat paikallaan, yhtäkkiä voit käyttää kaikkia vakiintuneita fysiikan työkaluja, jotka olettavat vastavuoroisia (molemminpuolisia) vuorovaikutuksia.

"Tämän uuden teorian temppu on, että se rakentaa kumppanin jokaiselle järjestelmän komponentille — kuvitteellisen kumppanin, jota ei ole olemassa luonnossa", selittää biofyysikko Ricard Alert. "Alkuperäiset epävastavuoroiset vuorovaikutukset korvataan vastavuoroisilla vuorovaikutuksilla näiden lisäapumuuttujien kanssa."

Se on vähän kuin lisäisi pyörään tukipyörät, paitsi että tukipyörät auttavat ajamaan suuntiin, joihin alkuperäinen pyörä ei pystynyt.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Pelkän "wow, luonto on oudompaa kuin luulimme" -faktorin lisäksi tällä on merkitystä monista syistä.

Ensinnäkin se auttaa tutkijoita luomaan paljon parempia biologisten järjestelmien simulaatioita. Haluatko mallintaa, miten bakteeripesäke leviää? Tai ennustaa ihmisjoukon käyttäytymistä konsertissa? Tämä uusi viitekehys tekee näistä simulaatioista huomattavasti tarkempia.

Toiseksi, ja tässä päästään todella jännittäviin asioihin, tutkijat pohtivat nyt, voiko tämä johtaa täysin uusiin löytöihin kvanttifysiikassa. Jos hiukkasilla voi olla näitä epävastavuoroisia vuorovaikutuksia tietyissä äärimmäisissä olosuhteissa, saattaisiko se luoda täysin uudenlaisia kollektiivisia käyttäytymismalleja, joita emme ole aiemmin nähneet?

"Ovatko nämä poikkeamat Newtonin laista johtamassa täysin uudenlaiseen kollektiiviseen kvanttikäyttäytymiseen", pohtii fyysikko Roderich Moessner. "Tiedämme tästä vielä hyvin vähän — ja juuri se tekee tästä niin kiehtovaa."

Isompi kuva

Rakastan tätä tarinaa, koska se muistuttaa meitä siitä, että jopa kaikkein perustavimmat luonnonlait ovat tilanteita, joissa ne eivät aivan päde. Newton ei ole väärässä — hänen kolmas lakinsa on edelleen varmaa kuin kallio niille tilanteille, joihin se suunniteltiin. Mutta luonto on löytänyt tapoja kiertää sitä monimutkaisissa järjestelmissä, ja nyt meillä on matemaattinen viitekehys ymmärtää miten.

Joskus universumi on luovempi kuin oppikirjamme antavat ymmärtää.

Ja rehellisesti? Pidän ajatuksesta, että tähtitappurien murmuraatio tanssii iltataivalla, casuallisti rikkoo yhtä kuuluisimmista säännöistä koko fysiikassa — eikä yksikään niistä edes tiedä sitä.

Sitä minä kutsuisin tiimityöksi.

Lähde: ScienceDaily