Стая птиц против Ньютона: история, которая перевернула моё представление о физике

Честно признаюсь — после этой истории я почувствовал, что всё, во что я верил в физике, слегка пошатнулось. А ведь я даже не физик!

Суть вот в чём. Третий закон Ньютона — помните? На каждое действие есть равная и противоположная реакция. Именно благодаря ему мы ходим (ноги отталкиваются назад, земля толкает нас вперёд), ездят машины, летают ракеты и носится по комнате сдутый воздушный шарик.

Больше трёхсот лет этот принцип был абсолютной основой. Как несущая стена в доме — на нём держится всё здание классической физики.

Но тут начинается самое интересное. Учёные из Дрездена недавно выяснили, что птичьи стаи каким-то образом этот закон игнорируют. И им за это ничего не будет.

Что вообще происходит?

Когда птицы летают вместе, создавая эти завораживающие мурмурации — те самые красивые волнообразные узоры на закате — они реагируют далеко не на всех вокруг. Каждая птица следит только за соседями по бокам и чуть впереди. Птицы сзади? Извините, вас не существует.

С точки зрения самой птицы это вполне логично. Смотреть вперёд и по сторонам — значит понимать, куда движется вся стая. А что там сзади — ну и ладно.

Но вот в чём загвоздка с физикой: такие взаимодействия не являются взаимными. Птица А реагирует на птицу Б, а вот птица Б может совершенно не реагировать на птицу А. Никакого равного противодействия. Одностороннее влияние — и всё.

Учёные называют это «необратимыми взаимодействиями». И встречаются они повсюду в природе — в бактериальных колониях, толпах людей, даже в группах клеток нашего тела. Традиционная физика для таких случаев просто не предназначена. Это как пытаться готовить по рецепту для выпечки, когда у вас в руках сковородка для жарки.

Изящное решение

Исследовательская группа под руководством физика Марина Букова не стала разводить руками. Вместо этого они проявили креативность.

Их решение на удивление элегантно. Они поняли, что в такие системы можно добавить «виртуальных партнёров» — математические сущности, которых в реальности не существует, но которые делают уравнения рабочими.

Примерно так: чтобы понять односторонний «разговор» между птицами, мы мысленно добавляем воображаемую птицу перед каждой реальной, движущуюся в противоположном направлении. Эти воображаемые птицы — просто математический инструмент, не реальные пернатые. Но с ними вдруг начинают работать все стандартные физические методы, которые требуют взаимных (обратимых) взаимодействий.

«Суть новой теории в том, что она создаёт партнёра для каждого компонента системы — виртуального партнёра, которого не существует в природе, — объясняет биофизик Рикард Альерт. — Исходные необратимые взаимодействия заменяются обратимыми взаимодействиями с этими вспомогательными элементами».

Это как добавить тренировочные колёса к велосипеду, только эти колёса позволяют ехать туда, куда исходный велосипед не мог попасть в принципе.

Почему это важно?

Помимо того, что «вау, природа страннее, чем мы думали», здесь есть серьёзные причины для интереса.

Во-первых, это позволяет учёным создавать гораздо более точные модели биологических систем. Хотите смоделировать, как распространяется бактериальная колония? Или предсказать поведение толпы на концерте? Этот новый подход делает такие симуляции куда реалистичнее.

Во-вторых — и вот тут становится по-настоящему интересно — исследователи теперь гадают: а вдруг это открытие приведёт к совершенно новым открытиям в квантовой физике? Если частицы могут иметь необратимые взаимодействия в каких-то экстремальных условиях, не возникнут ли там принципиально новые формы коллективного поведения, о которых мы даже не подозревали?

«Приводят ли эти исключения из закона Ньютона к совершенно новым формам коллективного квантового поведения, — говорит физик Ридерich Мёсснер. — Мы пока знаем об этом очень мало — и именно это делает всё это таким захватывающим».

Главная мысль

Мне нравится эта история, потому что она напоминает: даже самые фундаментальные законы природы имеют границы применения. Ньютон не ошибался — его третий закон по-прежнему работает для тех ситуаций, под которые он создавался. Но природа нашла способы обходить его в сложных системах, и теперь у нас есть математический аппарат, чтобы это понять.

Иногда Вселенная оказывается креативнее, чем наши учебники готовы признать.

А знаете что? Мне нравится сама идея, что где-то там, в вечернем небе, стая скворцов выписывает свои танцы, легко и непринуждённо нарушая один из самых знаменитых законов физики — и ни одна из птиц об этом даже не подозревает.

Вот это я понимаю — командная работа.