Een gemompel van spreeuwen. De zin leest als iets uit de literatuur of de titel van een arthousefilm. In feite, het is bedoeld om het fenomeen te beschrijven dat ontstaat wanneer honderden, soms duizenden, van deze vogels vliegen in een duik, ingewikkeld gecoördineerde patronen door de lucht.

Of in meer technische termen, massaal.

Maar vogels zijn niet de enige wezens die samenkomen. Dergelijk gedrag vindt ook plaats op microscopische schaal, zoals wanneer bacteriën door de darmplooien zwerven. Toch vogel of bacteriën, alle stroomden heeft één voorwaarde:de vorm van de entiteit moet langwerpig zijn met een "kop" en "staart" om in een geordende staat uit te lijnen en te bewegen met buren.

Natuurkundigen bestuderen massaal om dynamische organisatie op verschillende schalen beter te begrijpen, vaak als een manier om hun kennis van het zich snel ontwikkelende gebied van actieve materie uit te breiden. Een goed voorbeeld is een nieuwe analyse door een groep theoretische natuurkundigen, waaronder Mark Bowick, adjunct-directeur van het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) van UC Santa Barbara.

Generaliseren van het standaardmodel van stroomden beweging naar het gebogen oppervlak van een bol in plaats van het gebruikelijke lineaire vlak of platte driedimensionale ruimte, Het team van Bowick ontdekte dat in plaats van zich gelijkmatig over de hele bol te verspreiden, pijlachtige agenten ordenen spontaan in cirkelvormige banden gecentreerd op de evenaar. De bevindingen van het team verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Of het nu bacteriën zijn die zwermen, cellen die rondzwerven of energieverslindende 'pijlen' vliegen, deze systemen delen universele kenmerken, onafhankelijk van de precieze grootte en structuur van de agenten en hun gedetailleerde interacties, " zei corresponderende auteur Bowick, die met verlof is van de Universiteit van Syracuse terwijl hij in zijn functie bij KITP is. "De geordende toestanden van deze systemen zijn nooit perfect uniform, dus fluctuaties in dichtheid genereren geluid, veel op dezelfde manier dat blaasinstrumenten muziek maken."

Op gebogen oppervlakken, het team, waaronder KITP-algemeen lid Cristina Marchetti en KITP-afgestudeerde collega Suraj Shankar, vond "speciale" geluidsmodi die niet verdwijnen en rond obstakels stromen. Volgens Bowick, deze speciale modi komen overeen met speciale harmonischen of tonen die niet vermengen met alle andere harmonischen.

Hij merkte ook op dat deze modi speciaal zijn, juist omdat de bandgeometrie van de evenaar heel anders is dan de vlakke geometrie van een plat oppervlak. Bijvoorbeeld, een deeltje dat op een ring beweegt, komt terug naar zijn beginpunt, ook al beweegt het langs een "recht" pad. Dit gebeurt niet in een vliegtuig, waar entiteiten voor altijd in een rechte lijn doorgaan, om nooit meer terug te keren, tenzij ze een rand tegenkomen. Dit kenmerk is een direct gevolg van de zeer verschillende topologie van de bol en het vlak.

"Ook al heeft een bol zelf geen rand, de zwermpatronen hebben een rand - de rand van de band, "Zei Bowick. "Dus gewoon door lokaal energie te verbruiken, actieve agenten op de bol zwermen spontaan en creëren een rand."

De auteurs analyseerden ook een andere gebogen vorm, een zandlopervormig figuur dat een catenoïde wordt genoemd. In tegenstelling tot een bol waarop evenwijdige lijnen samenkomen, concave kromming van de catenoid veroorzaakt parallellen divergeren. Deze tegengestelde kromming duwt de massale entiteiten en bijbehorende geluidsgolven naar de boven- en onderrand van de zandloper, het midden bloot laten - het tegenovergestelde van wat er op een bol gebeurt.

"Alleen al het feit dat deze systemen massaal samenkomen, is behoorlijk opmerkelijk omdat ze dynamisch beweging genereren, " zei Shankar, een doctoraatsstudent in het programma voor zachte materie van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Syracuse. "Maar het zijn veel rijkere systemen dan we hadden verwacht, omdat ze ook deze 'topologisch beschermde' geluidsmodi genereren."