Vědci zjistili, že hejna ptáků jakoby porušovala jedno ze základních pravidel celé fyziky — Newtonův třetí zákon. A to nejzajímavější? Výzkumníci v Německu právě našli geniální řešení, které by mohlo revolučně změnit naše chápání všemožných jevů — od bakterií přes davové chování až po kvantové materiály.

Takže musím přiznat — když jsem poprvé slyšel o tomto výzkumu, můj mozek tak nějak zkratoval. Newtonův třetí zákon? Ten Newtonův zákon? Tu věc s „každá akce má stejnou a opačnou reakci", kterou učíme na hodinách fyziky už přes tři sta let? Jo, tenhle zákon apparently má slepé místo, pokud jde o ptáky. A upřímně? To je dost amazing.

Co se tady vlastně děje?

Pojďme si to rozebrat. Newtonův třetí zákon je všude kolem nás, i když si to neuvědomujete. Když jdete běhat, vaše nohy tlačí do země a země tlačí zpátky stejnou silou — jinak byste se zabořili do chodníku. Auta se pohybují díky tomu, že jejich kola tlačí dozadu na silnici a silnice je tlačí dopředu. Dokonce i směšný balonek letí vpřed, když z něj uniká vzduch, právě kvůli tomuto principu.

Po staletí byl tento zákon jedním ze základních pilířů klasické fyziky. Dr. Marín Bukov, jeden z výzkumníků zapojených do studie, to vyjádřil skvěle: „Ať už učíme studentům cokoli v teoretické mechanice, vše nakonec stojí na principu akce a reakce."

Ale tady je ten háček — hejna ptáků se těmito pravidly neřídí. Když stovky špačků víří oblohou v těch úžasných murmurech, každý pták sleduje jen sousedy vedle sebe nebo trochu před sebou. Ptáky za sebou úplně ignorují. Tato jednosměrná interakce znamená, že rovnováha akce-reakce prostě... nefunguje.

Vědci tomu říkají „nereciproké interakce" a není to jen záležitost ptáků. Bakteriální roje, davy lidí pohybující se prostorem, dokonce skupiny buněk ve vašem těle — všechny fungují na podobných principech, kde věci reagují jen na část svého okolí, ne na všechno kolem sebe stejně.

Problém, který nikdo nedokázal vyřešit

Tady se to začalo pro fyziky zhoršovat. Všechny ty vychytané matematické nástroje a simulační metody, které jsme vyvinuli za staletí? Byly navrženy s předpokladem, že interakce jsou reciproké — že když A ovlivňuje B, pak B ovlivňuje A stejně. Když se pokusíte aplikovat tyto standardní nástroje na nereciproké systémy, všechno se rychle zkomplikuje. Simulace se stávají nestabilními. Predikce se rozpadají. Vědci v podstatě museli začínat od nuly pokaždé, když chtěli studovat něco jako hejno ptáků nebo bakteriální kolonii.

Ale to se konečně možná mění.

Trik s „fiktivním partnerem"

Výzkumníci z Maxe Planckova ústavu pro fyziku komplexních systémů v Drážďanech, ve spolupráci s kolegy ve Würzburgu, právě publikovali řešení v časopise Nature Physics, které je upřímně řečeno docela elegantní, jakmile to pochopíte. Ten trik? Vymysleli imaginární ptáky.

Vím, vím — zní to absurdně. Ale zůstaňte se mnou.

Fyzik Ricard Alert, jeden z členů týmu, to vysvětlil takto: místo snahy nacpat nereciproké interakce do rámce navrženého pro reciproké, vytvoří pro každou složku systému „partnera". Tyto partnery v přírodě neexistují — jsou to čistě matematické konstrukce.

„Pro každého reálného ptáka uměle umístíme fiktivního ptáka před něj, přesně opačně orientovaného," řekl Alert. Původní jednosměrné interakce se pak nahradí reciprokými interakcemi s těmito pomocnými (fiktivními) proměnnými.

Představte si to takhle: místo pokusu zarazit čtvercový kolík do kulatého otvoru našli způsob, jak čtvercový kolík přetvořit tak, aby do otvoru pasoval — aniž byste měnili samotný otvor.

Proč na tom záleží (a hodně)

Na první pohled by se to mohlo zdát jako problém úzkého fyzikálního zájmu. Ale nereciproké systémy se v biologii a medicíně vyskytují všude. Pochopení toho, jak se buňky pohybují, jak se davy lidí přesouvají, jak se šíří bakteriální infekce — to vše závisí na interakcích, které nepodléhají Newtonovu třetímu zákonu.

S tímto novým teoretickým rámcem mohou vědci konečně používat mocné nástroje mnohačásticové fyziky ke studiu těchto systémů přesně. Lepší simulace, hlubší porozumění a potenciální průlomy v oblastech od medicíny po dopravní inženýrství.

Ale počkejte — je toho víc. Výzkumník Roderich Moessner poukazuje na to, že by to mohlo mít důsledky dokonce i v kvantové fyzice. Jeho skupina studuje kvantovou hmotu, kde částice interagují neobvyklými způsoby a vytvářejí jevy jako magnetismus nebo bezztrátový elektrický proud. Otázka teď zní, zda by tyto „výjimky z Newtonova zákona" mohly vést k zcela novým formám kolektivního kvantového chování.

„Stále toho víme velmi málo — a právě to je to, co dělá tuto oblast tak fascinující," řekl Moessner.

Moje myšlenky

Miluju příběhy jako je tento, protože nám připomínají, že věda není jen o tom mít všechny odpovědi — je to o kladení lepších otázek. Více než tři sta let sloužil Newtonův třetí zákon lidstvu neuvěřitelně dobře. Pomohl nám stavět stroje, pochopit pohyb a otevřít nesčetné technologické pokroky.

Ale příroda na naše elegantní teorie nehledí. Prostě dělá svoje. A někdy, jako v případě hejn ptáků, příroda odhalí, že naše rámce mají omezení, která jsme si ani nevšimli.

Co je na tomto výzkumu krásné, je fakt, že vědci místo prohlášení „Newtonův zákon je špatně" našli způsob, jak rozšířit naše stávající nástroje tak, aby zvládly případy, které původní rámec nepokrýval. To není porážka — je to přesně tak, jak věda funguje.

A upřímně? Docela mě baví, že řešení zahrnuje imaginární ptáky. Je v tom něco krásně podivuhodného — že abychom pochopili skutečná murmure špačků, musíme nejprve vyvolat ty falešné.

Příroda je divná. Věda je ještě divnější. A právě proto je tak vzrušující ji objevovat.

Proč hejna ptáků odolávají fyzikálním zákonům (a proč z toho vědci šílí)