Když hejno ptáků porušuje fyzikální zákon – a vůbec o tom neví

Musím se přiznat: tenhle příběh mi trochu zamíchal s tím, co si myslím, že vím o fyzice. A to jsem přitom žádný fyzik!

O co jde?

Určitě si vzpomínáte na Newtonův třetí zákon ze školy: každá akce má stejnou a opačnou reakci. Díky tomu můžeme chodit, jezdí auta, fungují rakety – a taky lítá po pokoji nafouknutý balónek jako zběsilý.

přes tři sta let byl tento princip naprostým základem. Všechno ostatní v klasické fyzice na něm stojí – podobně jako nosné zdi v domě.

A teď přichází to podivné. Vědci v Drážďanech nedávno zjistili, že hejna ptáků se zdají tento zákon zdvořile ignorovat – a úplně jim to prochází.

Co se tam venku děje?

Když ptáci létají společně v těch úžasných murmurech – těch krásných vlnách, které vidíte při západu slunce – nevnímají každého kolem sebe. Místo toho si každý pták všímá jen těch vedle sebe a trochu před sebou. Ptáci za ním? Promiňte, neviditelní.

Z perspektivy ptáka to dává smysl. Divat se dopředu a do stran ti říká, kam hejno míří. Co je za tebou, je prostě za tebou.

Tady je ale ten fyzikální problém: interakce mezi ptáky není vzájemná. Pták A reaguje na Ptáka B, ale Pták B nemusí stejně reagovat na Ptáka A. Žádná stejná a opačná reakce se mezi nimi neděje. Jde jen o jednosměrný vliv.

Vědci tomu říkají „nereciproční interakce" a objevují se všude v přírodě – v bakteriálních koloniích, davu lidí, dokonce ve skupinách buněk ve vašem těle. Tradiční fyzika pro tyto situace nikdy nebyla navržena. Je to jako používat recept na pečení, když ve skutečnosti potřebujete návod na smažení.

Chytré řešení

Výzkumný tým vedený fyzikem Marínem Bukovem nezahodil ruce ve frustraci. Místo toho se ukázal jako kreativní.

Jejich řešení je skutečně elegantní. Uvědomili si, že mohou přidat „fiktivní partnery" do těchto systémů – matematické náhradníky, které ve skutečnosti neexistují, ale umožňují rovnicím fungovat.

Představte si to takhle: abyste pochopili jednosměrnou konverzaci mezi ptáky, přidáte v podstatě imaginárního ptáka před každého skutečného ptáka, pohybujícího se opačným směrem. Tyto imaginární ptáci jsou jen matematické nástroje, ne skutečné opeřené tvory. Ale s nimi najednou můžete použít všechny standardní fyzikální nástroje, které předpokládají reciproční (vzájemné) interakce.

„Trik nové teorie spočívá v tom, že konstruuje partnera pro každou složku systému – fiktivního partnera, který v přírodě neexistuje," vysvětluje biofyzik Ricard Alert. „Původní nereciproční interakce jsou nahrazeny recipročními interakcemi s těmito pomocnými stupni volnosti."

Je to trochu jako přidat tréninková kolečka k jízdnímu kolu – jen ta kolečka pomáhají jet směry, které původní kolo nezvládlo.

Proč by vám to mělo být jedno?

Kromě čistého faktoru „wow, příroda je divnější, než jsme si mysleli", to má spoustu důvodů, proč vás to může zajímat.

Za prvé, pomáhá to vědcům vytvářet mnohem lepší simulace biologických systémů. Chcete modelovat, jak se šíří bakteriální kolonie? Nebo předpovědět chování davu na koncertě? Tento nový rámec dělá tyto simulace mnohem přesnější.

Za druhé – a tady to začíná být opravdu vzrušující – výzkumníci teď přemýšlejí, jestli by to mohlo vést k úplně novým objevům v kvantové fyzice. Pokud mohou mít částice tyto nereciproční interakce za určitých extrémních podmínek, mohlo by to vytvořit zbrusu nové formy kolektivního chování, které jsme ještě nikdy neviděli?

„Zda tyto výjimky z Newtonova zákona vedou k úplně novým formám kolektivního kvantového chování," říká fyzik Roderich Moessner. „O tomto stále víme velmi málo – a právě to je to, co dělá tuto oblast tak fascinující."

Větší obrázek

Miluju tenhle příběh, protože nám připomíná, že i naše nejzákladnější zákony přírody mají hraniční případy, kde úplně neplatí. Newton se nemýlil – jeho třetí zákon je stále pevně daný pro situace, pro které byl navržen. Ale příroda našla způsoby, jak jej obejít v komplexních systémech, a teď máme matematický rámec, abychom pochopili, jak to funguje.

Někdy je vesmír kreativnější, než jak ho popisují naše učebnice.

A upřímně? Myslím, že je v tom něco krásného – představa, že hejno špačků tančí přes večerní oblohu, bezmyšlenkovitě porušuje jeden z nejslavnějších zákonů veškeré fyziky – a ani jeden z nich o tom nemá tušení.

To je podle mě ta nejlepší spolupráce.

Zdroj: ScienceDaily