Kuşlar Newton’u neden görmezden geliyor: Yeni teori sürü, kalabalık ve hücre modellerini keskinleştirebilir

Sürülerdeki kuşlar, bakteriler ve hücreler: Pek çok kolektif sistemde, tek tek öğeler çevrelerinin yalnızca bir kısmına yanıt verir; bu da görünüşte Newton’un üçüncü hareket yasasına (eylem eşittir tepki) meydan okur. Bu istisnalar karşılıklı olmayan etkileşimler olarak bilinir. Würzburg-Dresden Mükemmellik Kümesi ctd.qmat’ın kurucu üyesi Roderich Moessner ile birlikte çalışan bir Dresden fizik ekibi, artık bu etkileşimleri verimli bir şekilde tanımlamayı ve onları çok daha kesin bir şekilde simüle etmeyi mümkün kılan bir teori geliştirdi.

Bu, araştırmacıların sürülerdeki ve sürülerdeki hareketlerin yanı sıra biyolojik süreçleri çok daha ayrıntılı olarak incelemelerine yardımcı olabilir. Bulgular şu adreste yayınlandı: Doğa Fiziği.

Newton ve görüş alanları

Kuşların geniş bir görüş alanı vardır. Ancak sürü halinde uçarken sadece önlerindeki veya yanlarındaki kuşlara yönelirler. Bir kuş hiçbir zaman arkasındaki kuşla aynı hizaya gelmediğinden, sürü görünüşe göre Newton’un üçüncü yasasına, yani genellikle “Her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır” şeklinde özetlenen etki ve tepki ilkesine meydan okuyor.

Örneğin koşarken ayaklarımız yere doğru itilirken, yer de eşit fakat zıt bir kuvvetle geriye doğru itilir. Araba sürerken, zıplarken, kürek çekerken veya balondan havanın kaçmasına izin verdiğimizde de aynı prensip iş başındadır: Hava geriye doğru itildiğinde balon ileri doğru uçar.

Gündelik hayat, 300 yıldan daha eski olan ve klasik mekaniğin temel taşını oluşturan Newton’un üçüncü yasasına uyan hareketlerle doludur. Araştırma grubu lideri Marín Bukov, “Normalde öğrencilerimize teorik mekanikte ne öğretirsek öğretelim, sonuçta etki-tepki ilkesine dayanır” diye açıklıyor.

Kuş sürüleri, balık sürüleri, bakteri sürüleri, kalabalıklar halindeki insanlar ve doku hücreleri ise aksine Newton’un üçüncü yasasına uymazlar çünkü bu sistemlerin bileşenleri çevrelerinin yalnızca bir kısmına tepki verir. Bu, etkileşimi tek yönlü hale getirir, yani “eylem eşittir tepki” ilkesi artık geçerli değildir. Bu istisnalar karşılıklı olmayan etkileşimler olarak bilinir. Şimdiye kadar karşılıklı etkileşimler için geliştirilen klasik teorilerle tam olarak açıklanamadığından bu sistemler verimli bir şekilde simüle edilememiştir.

Ancak etkili simülasyon, insan vücudundaki süreçleri veya sürülerin hareketlerini incelemek için gereklidir. Bu araştırma boşluğu, Moessner ile birlikte çalışan Dresden fizik ekibinin bulgularıyla artık kapatılmıştır. Moessner, Würzburg-Dresden Mükemmeliyet Kümesi ctd.qmat’ın (Kuantum Maddede Karmaşıklık, Topoloji ve Dinamik) baş araştırmacısı ve Dresden’deki Max Planck Karmaşık Sistemler Fiziği Enstitüsü’nün yöneticisidir.

Newton yeniden yüklendi: Dresden’deki fizikçiler zarif bir çözüm buluyor

“Araştırma ekibi, öğrencilerimize öğrettiklerimizin çoğunu karşılıklı olmayan sistemlere de uygulanabilir hale getiren bir teori geliştirdi ve kanıtladı. Newton’un üçüncü yasasının geçerli olmadığı bu sistemler, artık yerleşik yöntemler kullanılarak bile tam olarak tanımlanabiliyor ve tam olarak simüle edilebiliyor. Bu tam olarak son yıllarda eksik olan türden bir araç” diyor Bukov.

Bunu başarmak için fizikçilerden oluşan ekip orijinal etki-tepki çerçevesini genişletti. Karşılıklı olmayan sistemleri karşılıklı sistemler için geliştirilen araçları kullanarak tanımlamak için gereken tek şey ek yapay değişkenlerdir. İşleyiş şekli şöyledir: Teorik fizikçiler genellikle doğayı denklemlerle modellerler. Her değişken, bir kuşun konumu veya hızı, bir balığın okuldaki konumu veya bir arabanın trafikteki konumu gibi, gerçekte var olan bir özgürlük derecesini tanımlar.

Bukov’un meslektaşı biyofizikçi Ricard Alert şöyle açıklıyor: “Yeni teorinin ardındaki hile, sistemin her bir bileşeni için bir ortak -doğada var olmayan hayali bir ortak- inşa etmesidir. Karşılıklı olmayan orijinal etkileşimlerin yerini, bu yardımcı serbestlik dereceleriyle karşılıklı etkileşimler alır.”

Bir kuş sürüsü için bu ne anlama geliyor? Alert, “Kuşların hareketlerini tam olarak simüle etmek için, dinamik sistem ‘kuş sürüsü’nü yerleşik yöntemler kullanarak tanımlıyoruz; öyle olmasa bile, sanki karşılıklı bir sistemmiş gibi. Zarif çözüm, her gerçek kuşun önüne yapay bir kuşu, tam tersi yönde hizalanmış şekilde yapay olarak yerleştirmektir” diyor.

Sonuçları bağlam içine koymak

Yardımcı serbestlik derecelerinin getirilmesi fizikte yeni bir şey değildir. Ancak yeni olan, bu yardımcı serbestlik derecelerinin artık karşılıklı olmayan etkileşimlere sahip sistemleri incelemeyi kolaylaştırmasıdır. Bir yandan bu, araştırmacıların çok cisim fiziğinin yerleşik teorik çerçevesini kullanmasına olanak tanıyor. Öte yandan, karşılıklı olmayan sistemlerin çok daha yüksek doğrulukla simüle edilmesini sağlar. Her şeyden önce, bulgular fizikçilerin bu süreçlere ilişkin temel anlayışını derinleştiriyor ve bu tür bir anlayış her zaman gelecekteki keşiflerin temelini oluşturuyor.

“Würzburg ve Dresden’de, parçacıkları belirli koşullar altında manyetizma veya kayıpsız akım aktarımı gibi yeni fenomenlere yol açacak şekilde etkileşime giren kuantum maddesini inceliyoruz. Şimdi heyecan verici soru, Newton yasasına yönelik bu istisnaların tamamen yeni kolektif kuantum davranışı biçimlerine yol açıp açmadığıdır. Bunun hakkında hala çok az şey biliyoruz ve bunu bu kadar büyüleyici kılan da tam olarak bu” diyor Moessner.