Als twee mensen verschillende dingen willen, frustratie is onvermijdelijk. Maar deze niet-wederkerige interacties kunnen ook plaatsvinden, niet alleen tussen mensen, maar in de natuur.

In een paper gepubliceerd op 14 april in het tijdschrift Natuur , een team van wetenschappers van de Universiteit van Chicago beschreef hoe systemen die zijn samengesteld uit vele objecten die dergelijke niet-wederkerige interacties hebben, op verrassende manieren kunnen evolueren. Dit kan ten grondslag liggen aan veel fenomenen die we om ons heen zien, van neuronen tot vogelzwermen en kwantumsystemen.

Er is een gebied van de natuurkunde dat zich bezighoudt met het uitzoeken van het collectieve gedrag dat het resultaat is van veel objecten die op elkaar inwerken. Als de objecten de mogelijkheid hebben om te bewegen volgens hun eigen "voorkeuren, "ze worden actieve middelen genoemd. Bijvoorbeeld, mensen in menigten hebben de neiging om samen te bewegen, of vogels kunnen er de voorkeur aan geven om tijdens het vliegen in V-formaties uit te lijnen.

Maar toen ze verschillende scenario's in overweging namen, de onderzoekers ontdekten dat als de voorkeuren met elkaar concurreren, soms kunnen ze unieke bewegingsvormen creëren.

"Stel je twee kinderen voor die samen aan een tafel in een tuin moeten zitten voor de lunch, "Zei co-auteur en postdoctoraal onderzoeker Michel Fruchart van de studie. "Het ene kind wil dicht bij het andere zitten. Maar het andere kind wil zo ver mogelijk van het eerste zitten. Zodra het eerste kind dichterbij komt, het tweede kind gaat weg, en ze eindigen constant rond de tafel."

Wanneer veel onenigheid agenten bij elkaar worden gebracht, hierdoor ontstaat een constante collectieve beweging, gegenereerd door de "frustratie" in hun concurrerende tendensen. "Het is ongebruikelijk omdat er geen extern koppel is, " zei prof. Vincenzo Vitelli, een studie co-auteur. "De rotatie komt gewoon van hoe de agenten met elkaar omgaan."

Als gevolg hiervan, er ontstaat spontaan een rotatie:de agenten (zoals de robots in de film) kunnen met de klok mee of tegen de klok in draaien, afhankelijk van hun oorspronkelijke omstandigheden.

Het team onderzocht het gedrag door te veranderen in hoeverre de agenten het met elkaar eens of oneens waren. Ze merkten op dat het moment waarop de spontane beweging ontstaat gelijk is aan een faseovergang, zoals het moment waarop water van vloeistof in ijs verandert. "Maar het is een speciaal soort faseovergang, gekenmerkt door wat in de wiskunde bekend staat als een uitzonderlijk punt, ’ zei Fruchart.

Dit was opwindend voor de wetenschappers omdat het een nieuwe rimpel is in het begrijpen van het gedrag van systemen met veel interagerende objecten. een veld dat veellichamenfysica wordt genoemd.

"Verder, wat er interessant aan is, is dat het een algemene theorie is, " zei co-auteur prof. Peter Littlewood. "Het blijkt dat deze overgang enkele universele kenmerken heeft die in veel schijnbaar niet-gerelateerde systemen voorkomen."

"Het was een heel spannend moment, om te beseffen dat het concept dat we najaagden algemener was - dat het in grote lijnen voorkomt in de natuur, " zei postdoctoraal onderzoeker en co-auteur Ryo Hanai.

Hanai en Littlewood kwamen het concept van uitzonderlijke punten tegen toen ze probeerden het gedrag te begrijpen van een soort kwantummaterie die energie kan winnen of verliezen. Ze hadden het vermoeden dat ze het konden verklaren zonder de taal van de kwantummechanica. "We vermoedden dat het concept zelf veel ruimer was, "zei Hanai. "Gelukkig, de Universiteit van Chicago is een plek waar je door de gang kunt lopen en kunt praten met een van de toonaangevende experts op het gebied van actieve materie - en dat hebben we gedaan."

Aan het eind van de gang, Vitelli en Fruchart bestudeerden uitzonderlijke punten in een heel andere context - op een gebied dat actieve materie wordt genoemd, die het gedrag van objecten met interne energiebronnen onderzoekt, zoals een zwerm vogels of spierweefsel. De vier natuurkundigen werkten samen om de raadselachtige wiskundige overeenkomsten tussen deze schijnbaar ongelijksoortige onderwerpen te onderzoeken.

"Je zou denken dat de fysica van systemen die energie kunnen winnen of verliezen en die van niet-wederkerige systemen verschillend zou zijn, " zei Vitelli. "Maar toen we ernaar keken, we ontdekten dat het onderscheid vervaagd was, zodat je het een niet zonder het ander kunt bedenken. Als je dat onderscheid kunt vervagen, je hebt ineens veel nieuwe manieren om een ​​probleem aan te pakken."

Omdat niet-wederkerige systemen wijdverbreid zijn, de onderzoekers hopen dat hun resultaten nuttig kunnen zijn op gebieden buiten de natuurkunde.

Bijvoorbeeld, Er zijn twee brede categorieën neuronen in de hersenen:exciterende neuronen, die de activiteit van andere neuronen verhogen, en remmende neuronen, die het verminderen. "Dit is in hoge mate een niet-wederkerig systeem, "Zei Littlewood. "We openen samenwerkingen met neurowetenschappers van UChicago om te zien of het nuttig is om deze lens van nadenken erover toe te passen."