Косяк рыб, рой насекомых и стаи птиц. Новое исследование показывает, что на самом базовом уровне такое групповое поведение формирует новый вид активной материи, называемый вихревым состоянием.

Второй закон движения Ньютона, который гласит, что по мере увеличения силы, приложенной к объекту, его ускорение увеличивается, а по мере увеличения массы объекта его ускорение уменьшается — применяется к пассивной, неживой материи, от атомов до планет.

– Но большая часть материи в мире является активной материей и движется под действием собственной, самонаправляемой силы, — говорит Николай Бриллиантов, математик из Сколковского института науки и технологий в России и Лестерского университета в Англии. – Такие разнообразные живые существа, как бактерии, птицы и люди, могут взаимодействовать с действующими на них силами.

Есть и примеры неживой активной материи. Наночастицы, известные как «частицы Януса», состоят из двух сторон с разными химическими свойствами. Взаимодействие между двумя сторонами создает самоходное движение.

Чтобы исследовать активную материю, Бриллиантов и его коллеги использовали компьютер для моделирования частиц, которые могут двигаться самостоятельно. Эти частицы сознательно не взаимодействовали с окружающей средой, рассказал Бриллиантов Live Science. Скорее, они были больше похожи на простые бактерии или наночастицы с внутренними источниками энергии, но без способностей к обработке информации.

Первым сюрпризом было то, что эта активная материя ведет себя совсем не так, как пассивная. По словам Бриллиантова, разные состояния пассивной материи могут сосуществовать. Например, стакан с жидкой водой может постепенно испаряться в газообразное состояние, но при этом остается жидкая вода. Активная материя, напротив, не сосуществовала в разных фазах; все было твердым, или жидким или газообразным.

Частицы также сгруппировались в большие конгломераты или квазичастицы, которые образовали круговой узор вокруг пустого центра, что-то вроде водоворота стайных сардин. Исследователи назвали эти конгломераты частиц «вихревыми», а новое состояние вещества, которое они образовали, «вихревым состоянием».

В этом вихревом состоянии частицы проявляли странное поведение. Например, они нарушили второй закон Ньютона: когда к ним прикладывалась сила, они не ускорялись.

– [Они] просто движутся с постоянной скоростью, что совершенно удивительно, — отметил Бриллиантов.

По его словам, моделирование было базовым, и экспериментальная работа с реальным активным веществом — следующий важный шаг. Бриллиантов и его коллеги также планируют провести более сложное моделирование с использованием частиц активного вещества, способных обрабатывать информацию. Они будут больше напоминать насекомых и животных и помогут раскрыть физические законы, регулирующие движение рыбных косяков или роение насекомых. По словам Бриллиантова, в конечном итоге цель состоит в том, чтобы создать самособирающиеся материалы из активного вещества, что делает важным понимание фаз этого вида материи.

– Очень важно, что мы видим природу активного вещества», которое намного богаче, чем природа пассивного вещества, — подытожил он.

Подробности исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.