Physiker zeigen, wie Bewegung durch Frustration erzeugt werden kann

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Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Chicago beschrieb, wie sich Systeme aus vielen Objekten mit nicht wechselseitigen Wechselwirkungen auf überraschende Weise entwickeln können. Dies kann vielen Phänomenen zugrunde liegen, die wir um uns herum sehen, von Neuronen über Vogelschwärme bis hin zu Quantensystemen. Bildnachweis: Vitelli lab

In einem am 14. April in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel beschrieb ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Chicago, wie sich Systeme, die aus vielen Objekten bestehen, die solche nicht wechselseitigen Wechselwirkungen aufweisen, auf überraschende Weise entwickeln können. Dies kann vielen Phänomenen zugrunde liegen, die wir um uns herum sehen, von Neuronen über Vogelschwärme bis hin zu Quantensystemen.

Es gibt ein Gebiet der Physik, in dem es darum geht, das kollektive Verhalten herauszufinden, das sich aus der Interaktion vieler Objekte ergibt. Wenn sich die Objekte gemäß ihren eigenen “Einstellungen” bewegen können, werden sie als aktive Agenten bezeichnet. Zum Beispiel neigen Menschen in Menschenmengen dazu, sich zusammen zu bewegen, oder Vögel ziehen es möglicherweise vor, sich während des Fluges in V-Formationen auszurichten.

Da sie jedoch unterschiedliche Szenarien betrachteten, stellten die Forscher fest, dass sie manchmal einzigartige Bewegungsformen erzeugen können, wenn die Präferenzen konkurrieren.

“Stellen Sie sich zwei Kinder vor, die zum Mittagessen zusammen an einem Tisch in einem Garten sitzen müssen”, sagte Studienmitautor und Postdoktorand Michel Fruchart. “Ein Kind möchte nahe am anderen sitzen. Aber das andere Kind möchte so weit wie möglich vom ersten entfernt sitzen. Sobald das erste Kind näher kommt, bewegt sich das zweite Kind weg und sie kreisen ständig um den Tisch . “

Wenn viele nicht übereinstimmende Agenten zusammengestellt werden, entsteht eine konstante kollektive Bewegung, die durch die “Frustration” in ihren konkurrierenden Tendenzen erzeugt wird. “Es ist ungewöhnlich, weil es kein externes Drehmoment gibt”, sagte Prof. Vincenzo Vitelli, Mitautor der Studie. “Die Rotation kommt einfach von der Interaktion der Agenten.”

Infolgedessen entsteht spontan eine Drehung: Die Agenten (wie die Roboter im Film) können je nach ihren Anfangsbedingungen entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen.

Das Team untersuchte das Verhalten, indem es änderte, inwieweit die Agenten miteinander übereinstimmen oder nicht übereinstimmen. Sie bemerkten, dass der Moment, in dem die spontane Bewegung erzeugt wird, einem Phasenübergang entspricht – wie der Moment, in dem Wasser von Flüssigkeit zu Eis wechselt. “Aber es ist eine spezielle Art des Phasenübergangs, der durch das gekennzeichnet ist, was in der Mathematik als außergewöhnlicher Punkt bekannt ist”, sagte Fruchart.

Für die Wissenschaftler war dies aufregend, da es eine neue Falte beim Verständnis des Verhaltens von Systemen mit vielen interagierenden Objekten darstellt, einem Feld, das als Vielkörperphysik bezeichnet wird.

Für die Wissenschaftler war dies aufregend, da es eine neue Falte beim Verständnis des Verhaltens von Systemen mit vielen interagierenden Objekten darstellt, einem Feld, das als Vielkörperphysik bezeichnet wird.

“Es war ein sehr aufregender Moment, zu erkennen, dass das Konzept, das wir verfolgten, allgemeiner war – dass es allgemein in der Natur vorkommt”, sagte der Postdoktorand und Co-Autor der Studie, Ryo Hanai.

Hanai und Littlewood stießen auf das Konzept außergewöhnlicher Punkte, als sie versuchten, das Verhalten einer Art Quantenmaterie zu verstehen, die Energie gewinnen oder verlieren kann. Sie hatten eine Ahnung, dass sie es ohne die Sprache der Quantenmechanik erklären könnten. “Wir vermuteten, dass das Konzept selbst viel umfassender war”, sagte Hanai. “Glücklicherweise ist die Universität von Chicago ein Ort, an dem Sie den Flur entlang gehen und mit einem der führenden Experten für aktive Materie sprechen können – und genau das haben wir getan.”

Im Flur untersuchten Vitelli und Fruchart außergewöhnliche Punkte in einem völlig anderen Kontext – in einem Bereich namens aktive Materie, der das Verhalten von Objekten mit internen Energiequellen wie Vogelschwarm oder Muskelgewebe untersucht. Die vier Physiker haben sich zusammengetan, um die rätselhaften mathematischen Ähnlichkeiten zwischen diesen scheinbar unterschiedlichen Fächern zu untersuchen.

“Sie würden denken, dass die Physik von Systemen, die Energie gewinnen oder verlieren können, und die von nicht reziproken Systemen unterschiedlich wäre”, sagte Vitelli. “Aber als wir es uns angesehen haben, haben wir festgestellt, dass die Unterscheidung verschwommen ist, so dass Sie nicht an eine ohne die andere denken können. Wenn Sie diese Unterscheidung verwischen können, haben Sie plötzlich viele neue Möglichkeiten, ein Problem anzugreifen.”

Da nicht-reziproke Systeme in der Natur weit verbreitet sind, hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse in Bereichen jenseits der Physik nützlich sein können.

Zum Beispiel gibt es zwei große Kategorien von Neuronen im Gehirn: exzitatorische Neuronen, die die Aktivität anderer Neuronen erhöhen, und inhibitorische Neuronen, die sie verringern. “Dies ist ein nicht wechselseitiges System”, sagte Littlewood. “Wir eröffnen Kooperationen mit Neurowissenschaftlern an der UChicago, um herauszufinden, ob es sinnvoll ist, diese Linse des Denkens anzuwenden.”

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