Hoe een zwerm spreeuwen Newton in de war schopte

Oké, ik moet eerlijk zijn — dit verhaal heeft me het gevoel gegeven dat alles wat ik dacht te weten over fysica een beetje is omgeschud. En ik ben nog niet eens fysicus!

Hier is het zaakje. Je herinnert je vast Newton's derde wet van school: voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Het is de reden waarom je kunt lopen (je voeten duwen achteruit op de grond, de grond duwt je vooruit), waarom auto's bewegen, waarom raketten werken, en waarom een leeglopende ballon als een getrainde ninja door je woonkamer schiet.

Meer dan 300 jaar lang was dit principe absolute basiskennis. Het is een van die regels waarop de hele klassieke fysica leunt, zoiets als de dragende muren van je huis.

Maar hier wordt het vreemd. Onderzoekers in Dresden ontdekten onlangs dat vogelswaren dit wet blijkbaar lijken te negeren — en ze komen er mee weg.

Wat gebeurt er eigenlijk?

Als vogels samen vliegen in die betoverende murmuraties (die prachtige golfpatronen die je bij zonsondergang ziet), letten ze niet op iedereen om hen heen. In plaats daarvan let elke vogel alleen echt op de vogels naast hem en iets voor hem. De vogels achterin? Sorry, die bestaan niet.

Dit is best slim van het standpunt van de vogel. Vooruit en opzij kijken geeft je informatie over waar de zwerm naartoe gaat. Wat achter je is, ja, dat is achter je.

Maar hier zit het fysicaprobleem: dit betekent dat de interactie tussen vogels niet wederzijds is. Vogel A reageert op Vogel B, maar Vogel B reageert misschien niet evenveel op Vogel A. Er is geen gelijke en tegengestelde reactie tussen hen. Gewoon éénrichtingsinvloed.

Wetenschappers noemen dit "niet-wederkerige interacties," en ze duiken overal in de natuur op — in bacteriekolonies, menselijke menigten, zelfs groepen cellen in je lichaam. De traditionele fysica was nooit echt ontworpen voor deze situaties. Het is alsof je een recept voor bakken probeert te gebruiken wanneer je eigenlijk instructies voor roerbakken nodig hebt.

De slimme oplossing

Het onderzoeksteam, geleid door fysicus Marín Bukov, gooide de handdoek niet in de ring. In plaats daarvan werden ze creatief.

Hun oplossing is werkelijk elegant. Ze beseften dat ze "fictieve partners" aan deze systemen konden toevoegen — wiskundige placeholders die niet echt bestaan, maar die de vergelijkingen laten kloppen.

Denk er zo over: om een éénrichtingsgesprek tussen vogels te begrijpen, voeg je in wezen een denkbeeldige vogel toe voor elke echte vogel, die in de tegengestelde richting beweegt. Deze denkbeeldige vogels zijn gewoon wiskundige hulpmiddelen, geen echte veren creature. Maar daarmee erin kun je plotseling alle standaard fysica-tools gebruiken die wederkerige (mutuele) interacties aannemen.

"De truuk achter de nieuwe theorie is dat het een partner construeert voor elke component van het systeem — een fictieve partner die niet bestaat in de natuur," legt biofysicus Ricard Alert uit. "De oorspronkelijke niet-wederkerige interacties worden vervangen door wederkerige interacties met deze hulphoeveelheden."

Het is een beetje zoals trainingswielen aan een fiets bevestigen, behalve dat de trainingswielen je helpen rijden in richtingen die de originele fiets niet aankon.

Waarom zou je dit moeten interesseren?

Afgezien van de pure "wow, de natuur is vreemder dan we dachten"-factor, is dit om verschillende redenen belangrijk.

Ten eerste helpt het wetenschappers om veel betere simulaties van biologische systemen te maken. Wil je modelleren hoe een bacteriekolonie zich verspreidt? Of het gedrag van een menigte bij een concert voorspellen? Dit nieuwe raamwerk maakt die simulaties een stuk nauwkeuriger.

Ten tweede, en hier wordt het echt spannend, vragen de onderzoekers zich af of dit kan leiden tot geheel nieuwe ontdekkingen in de quantumfysica. Als deeltjes deze niet-wederkerige interacties kunnen hebben onder bepaalde extreme omstandigheden, zou dat dan geheel nieuwe vormen van collectief gedrag kunnen creëren die we nog nooit eerder hebben gezien?

"Of deze uitzonderingen op Newton's wet leiden tot geheel nieuwe vormen van collectief quantumgedrag," zegt fysicus Roderich Moessner. "We weten hier nog heel weinig over — en dat is precies wat dit zo fascinerend maakt."

De bredere context

Ik hou van dit verhaal omdat het ons eraan herinnert dat zelfs onze meest fundamentele natuurwetten randgevallen hebben waarin ze niet helemaal opgaan. Newton heeft het niet mis — zijn derde wet is nog steeds rotsvast voor de situaties waarvoor hij ontworpen is. Maar de natuur heeft manieren gevonden om eromheen te werken in complexe systemen, en nu hebben we het wiskundige raamwerk om te begrijpen hoe.

Soms is het universum creatiever dan onze studieboeken het geven.

En eerlijk? Ik denk dat er iets prachtigs is aan het idee dat een murmuratie van spreeuwen daarbuiten, dansend over de avondhemel, nota bene een van de beroemdste regels in de hele fysica aan het tarten is — en geen van hen weet het zelfs maar.

Dat noem ik pas teamwork.