Порядок из хаоса: что объединяет рыб, птиц и магнитные частицы

В 2024 году частицы стали одной из ключевых тем как в популярной культуре, так и в академических кругах. Видеоигры и фильмы всё больше стремятся к реалистичности, используя сложные симуляции частиц. В науке суперкомпьютеры позволяют моделировать миллиарды частиц, объединяя различные дисциплины и оценивая вероятности происходящих процессов.

Новое исследование, опубликованное в «Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment», проливает свет на явление коллективного движения, при котором отдельные объекты начинают двигаться как единое целое. Хотя это явление хорошо известно в физике частиц, оно встречается и в макромире — например, у стай рыб. Исследователи считают, что их способность к синхронному движению объясняется не только улучшенными сенсорными органами, но и неизвестными ранее физическими процессами.

Интересно, что коллективное движение рыб или птиц в некотором смысле можно сравнить с плазмой в реакторах термоядерного синтеза. Оба явления демонстрируют схожие черты с жидкостями, такими как вода или ветер. Однако точные механизмы, лежащие в основе этих явлений, всё ещё вызывают споры. Исследователи выяснили, что ключевую роль играют флуктуации — изменения, вызывающие нарушение порядка в системе, что в конечном итоге приводит к организованному поведению группы.

Эксперименты показали, что даже магнитные частицы реагируют на флуктуации в неожиданно неупорядоченной манере, что приводит к формированию организованных групп. Это противоречит прежним теориям, объяснявшим коллективное поведение на основе давления и температуры. Интересно, что подобные процессы наблюдаются даже в сложных системах, таких как группы птиц, которые ориентируются на зрительные образы.

Исследователи создали новую модель для изучения коллективного движения, надеясь, что их подход поможет в дальнейшем исследовании подобных явлений. Эта модель уже показала свою эффективность на примере активных частиц, испытывающих нематические моменты — явление, наблюдаемое в кристаллах времени, когда атомы выстраиваются в параллельные ряды и синхронизируются.

Таким образом, данное исследование стало важным шагом на пути к более глубокому пониманию феноменов коллективного движения в природе.