Физици от института „Макс Планк“ в Дрезден разработиха теория, която позволява прецизно моделиране на колективното поведение на системи като ята птици, пасажи риби или бактериални култури.

В подобни структури класическият принцип за равенство на действието и противодействието престава да работи в обичайния си вид.

Предложеното решение е важно и за описването на транспортния поток, в който едновременно се движат както шофьори, така и автономни превозни средства.

Невзаимните взаимодействия са познати не само в орнитологията или клетъчната биология, но и във физиката на елементарните частици.

В момента учените активно изследват квантовата материя, където микрочастиците при определени условия взаимодействат по аномален начин.

Физиците се опитват да разберат дали откритите изключения от законите на Нютон могат да доведат до зараждането на напълно нови форми на колективно квантово поведение, които биха могли да осигурят например създаването на принципно нови видове магнетизъм.

В ежедневието непрекъснато се сблъскваме с проявленията на третия закон на Нютон

Когато тичаме, краката ни се отблъскват от земята, а тя ни отговаря с равна по големина и противоположна по посока сила.

Същият принцип обяснява движението на автомобилите, лодките и полета на балон, от който излиза въздух.

Всички тези процеси се основават на фундаменталното правило: на всяко действие винаги съответства равно по големина и противоположно по посока противодействие.

Природата обаче редовно демонстрира изключения от този непоклатим канон на физиката.

Птиците имат широко зрително поле, но по време на полет в ято те се ориентират изключително по съседите си, които се намират пред или отстрани на тях.

Една птица никога не съобразява траекторията си с тази, която лети зад нея. В резултат на това възниква насочено, едностранно взаимодействие.

Законът „действието е равно на противодействието“ се нарушава, тъй като водената птица по никакъв начин не влияе на водещата.

Такива системи се наричат невзаимни (нереципрочни)

Доскоро учените не можеха ефективно да моделират и описват в детайли поведението на подобни динамични групи, тъй като целият класически теоретичен инструментариум беше строго обвързан със спазването на принципа на Нютон.

Нов поглед към старите закони

Група физици от Института за физика на сложните системи „Макс Планк“ в Дрезден, Германия, преодоля тази бариера, като елегантно разшири рамките на класическата механика. Тяхната работа е публикувана в списание Nature Physics.

За да приложат доказаните във времето методи за анализ на многочастични системи към невзаимни структури, авторите на изследването въвеждат в математическите уравнения допълнителни изкуствени променливи.

В теоретичната физика всяка променлива обикновено описва реален параметър – скорост, положение на птица в пространството или позиция на автомобил в трафика.

Немските изследователи предлагат за всеки реален компонент на системата да се конструира въображаем „партньор“, който не съществува в природата.

Същността на този елегантен трик се състои в това, че оригиналните невзаимни връзки се заменят с взаимни, но вече с участието на спомагателни виртуални обекти.

Приложено към ято птици, това означава, че за точна симулация на движението пред всяко реално същество изкуствено се поставя фиктивен партньор, ориентиран в строго противоположна посока.

Това изследване има и чисто практическо значение за близкото бъдеще.

Когато по пътищата се появи достатъчно голям брой безпилотни автомобили, те ще бъдат обединени в мрежа.

Ако обикновените коли взаимодействат невзаимно („виждам този пред мен“), то безпилотните могат да обменят данни във всички посоки (колата отзад може да предаде сигнал на предната: „няма да успея да спра, ускори“).

Разбирането как математически да се свържат невзаимните системи (хората-шофьори) и взаимните системи (умните автомобили) чрез единни уравнения е от решаващо значение за проектирането на безопасни пътища на бъдещето, където роботи и хора ще се движат в един поток.