Muszę przyznać, że ta historia sprawiła, że poczułem się, jakbym właśnie dowiedział się czegoś, co kompletnie wywraca mój obraz fizyki do góry nogami. A nie jestem nawet fizykiem!
Pamiętacie pewnie trzecią zasadę Newtona ze szkoły: każda akcja wywołuje równą i przeciwną reakcję. Dlatego chodzimy (nogi pchają ziemię do tyłu, a ziemia pcha nas do przodu), dlatego jeżdżą samochody, dlatego działają rakiety — i dlatego spuszczony balon lata po pokoju jak nakręcony ninja.
Przez ponad trzysta lat ta zasada była absolutnie podstawą. Jedna z tych reguł, na których opiera się cała fizyka klasyczna — jak ściany nośne w domu.
Ale tutaj zaczyna się robić ciekawie. Naukowcy z Drezna niedawno odkryli, że stada ptaków najwyraźniej lekceważą tę zasadę — i jakoś im to wychodzi.
Co się właściwie dzieje?
Kiedy ptaki lecą razem w tych hipnotyzujących formacjach (te piękne fale, które widuje się o zachodzie słońca), nie zwracają uwagi na wszystkich wokół. Każdy ptak obserwuje głównie te osobniki obok siebie i trochę z przodu. Ptaki za sobą? Przepraszam, was nie widać.
Z perspektywy ptaka to całkiem rozsądne. Patrzenie przed siebie i na boki daje informacje o tym, dokąd zmierza stado. To, co jest za tobą, cóż, jest za tobą.
Ale tutaj pojawia się problem fizyczny: interakcje między ptakami nie są wzajemne. Ptak A reaguje na Ptaka B, ale Ptak B nie musi wcale reagować na Ptaka A. Nie ma żadnej równej i przeciwnej reakcji między nimi. Tylko jednostronny wpływ.
Naukowcy nazywają to „oddziaływaniami niewzajemnymi" i występują one dosłownie wszędzie w naturze — w koloniach bakterii, tłumach ludzi, nawet w grupach komórek naszego ciała. Tradycyjna fizyka nigdy nie była przygotowana na takie sytuacje. To jakby próbować użyć przepisu na pieczenie ciasta, gdy w rzeczywistości potrzebujesz instrukcji smażenia.
Sprytne rozwiązanie
Zespół badawczy, kierowany przez fizyka Marína Bukova, nie poddał się frustracji. Zamiast tego wykazał się kreatywnością.
Ich rozwiązanie jest naprawdę eleganckie. Uświadomili sobie, że mogą dodać do tych systemów „fikcyjnych partnerów" — matematyczne odpowiedniki, które nie istnieją w rzeczywistości, ale sprawiają, że równania nagle działają.
Pomyślcie o tym tak: żeby zrozumieć jednostronną rozmowę między ptakami, dodaje się właściwie wyimaginowanego ptaka przed każdym prawdziwym ptakiem, poruszającego się w przeciwnym kierunku. Te wyimaginowane ptaki to tylko narzędzia matematyczne, nie prawdziwe stworzenia. Ale dzięki nim nagle można używać wszystkich standardowych narzędzi fizycznych, które zakładają wzajemne oddziaływania.
„Sztuczka tej nowej teorii polega na tym, że konstruuje partnera dla każdego elementu systemu — fikcyjnego partnera, który nie istnieje w naturze" — tłumaczy biofizyk Ricard Alert. „Oryginalne niewzajemne oddziaływania są zastępowane wzajemnymi oddziaływaniami z tymi pomocniczymi stopniami swobody."
To trochę jak dodanie kółek treningowych do roweru, z tą różnicą, że te kółka pozwalają jechać w kierunkach, których oryginalny rower nie byłby w stanie osiągnąć.
Dlaczego powinno cię to obchodzić?
Poza samym czynnikiem „wow, natura jest dziwniejsza niż myśleliśmy", to ma znaczenie z kilku powodów.
Po pierwsze, pomaga naukowcom tworzyć znacznie lepsze symulacje systemów biologicznych. Chcesz zamodelować, jak rozprzestrzenia się kolonia bakterii? Albo przewidzieć zachowanie tłumu na koncercie? Ten nowy framework sprawia, że takie symulacje są o wiele dokładniejsze.
Po drugie, i tutaj robi się naprawdę interesująco, badacze zastanawiają się teraz, czy to może prowadzić do całkowicie nowych odkryć w fizyce kwantowej. Jeśli cząstki mogą mieć te niewzajemne oddziaływania w pewnych ekstremalnych warunkach, czy może to stworzyć zupełnie nowe formy zachowań zbiorowych, których jeszcze nie widzieliśmy?
„Czy te wyjątki od prawa Newtona prowadzą do całkowicie nowych form zbiorowego zachowania kwantowego" — pyta fizyk Roderich Moessner. „Wciąż wiemy bardzo mało na ten temat — i właśnie to czyni to tak fascynującym."
Szerszy obraz
Uwielbiam tę historię, bo przypomina nam, że nawet nasze najbardziej podstawowe prawa natury mają przypadki, w których nie do końca działają. Newton się nie mylił — jego trzecie prawo wciąż świetnie działa w sytuacjach, do których było przeznaczone. Ale natura znalazła sposoby, by je ominąć w złożonych systemach, a my teraz mamy matematyczny framework, by to zrozumieć.
Czasem wszechświat jest bardziej kreatywny, niż dają nam to kredki w podręcznikach.
I szczerze? Myślę, że jest coś pięknego w idei, że stado szpaków tańczy sobie po wieczornym niebie, lekceważąc jedną z najsłynniejszych zasad w całej fizyce — i żaden z nich o tym nawet nie wie.
To dopiero jest prawdziwa praca zespołowa.
Źródło: ScienceDaily