Физиците намериха начин да обяснят поведението на птичите ята, което „нарушава“ третия закон на Нютон

Птиците могат да виждат голяма част от заобикалящия ги свят, но когато летят в ято, те обръщат внимание само на птиците до себе си или това, което виждат пред себе си. Те не съгласуват движенията си с птиците зад тях. По всичко личи, че това поведение противоречи на третия закон на Нютон – известният принцип за действие и противодействие, който често се формулира като „за всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие“.

Този принцип лесно може да се наблюдава в ежедневието. Когато тичаме, краката ни се отлепят от земята, а земята ни отблъсква с равна сила. Същата идея обяснява как се движат автомобилите, как хората гребат в лодки и защо балонът се устремява напред, когато въздухът излиза през отвора му. Вече повече от 300 години третият закон на Нютон е един от крайъгълните камъни на класическата физика.

„Всичко, което обикновено преподаваме на нашите студенти по теоретична механика, в крайна сметка се основава на принципа на действието и противодействието.“

обяснява ученият Марин Буков

Птичите ята не са единствените системи, които, както изглежда не се подчиняват на това правило. Бактериалните рояци, тълпите от хора и дори групите клетки в живата тъкан се държат по подобен начин. В тези системи отделните компоненти реагират само на част от своето обкръжение, а не на всичко около тях. В резултат на това взаимодействието протича в една посока, тоест действието и противодействието вече не са в равновесие. Физиците наричат такива взаимодействия „нереципрочни“. Традиционните теории са разработени за реципрочни взаимодействия, при които действието и противодействието са равни. Поради това ограничение на учените им беше трудно да моделират точно нереципрочните системи. По-качествените симулации са важни за разбирането на биологичните процеси, поведението на тълпите и колективното движение на животните.

Изследователи от Дрезден, съвместно с физика Родерих Меснер разработиха решение на този дългогодишен проблем.

Нов метод за моделиране на невзаимни системи

„Изследователската група разработи и доказа теория, която прави голяма част от това, на което учим нашите студенти, приложимо и към невзаимните системи. Тези системи, в които третият закон на Нютон не важи вече най-накрая могат да бъдат точно описани и точно моделирани, дори с помощта на утвърдени методи. Това е именно инструментът, който липсваше през последните години.“

казва Буков

Изследователите са постигнали това, като са разширили традиционната схема на действие и противодействие. Техният подход позволява да се изследват невзаимни системи с помощта на много от същите инструменти, които вече се използват за обичайните взаимни системи. Ключовият момент е въвеждането на допълнителни изкуствени променливи. Физиците обикновено описват природните системи с помощта на математически променливи, съответстващи на реални свойства, като положението и скоростта на птица, местоположението на риба в косяк или положението на автомобил в потока.

„Хитростта на новата теория се състои в това, че тя създава партньор за всеки компонент на системата – фиктивен партньор, който не съществува в природата. Първоначалните невзаимни взаимодействия се заменят с взаимни взаимодействия с тези допълнителни степени на свобода.“

обяснява биофизикът Рикард Алерт Случаят с въображаемата птица

Как изглежда тази идея на практика? За да моделират точно движенията на птиците, учените описват динамичната система „птиче ято“ с помощта на утвърдени методи – така, сякаш тя е взаимна система, макар че това не е така. Елегантното решение се състои в изкуственото поставяне на въображаема птица пред всяка реална птица, ориентирана в точно противоположната посока.

Тези въображаеми партньори не представляват истински птици. Вместо това те са математически инструменти, които позволяват на изследователите да преобразуват еднопосочните взаимодействия във форма, която може да бъде анализирана с помощта на съществуващите методи.

Нови възможности за физически изследвания

Използването на помощни степени на свобода не е нова концепция във физиката. Новото е начинът, по който те вече могат да се прилагат към системи с невзаимни взаимодействия. Този подход позволява на учените да използват добре утвърдената методология на физиката на много тела, като същевременно създават много по-точни симулации на сложни системи. Не по-малко важно е и това, че той осигурява по-дълбоко разбиране на основните принципи на физиката. Такова разбиране често поставя основата за бъдещи открития.