يبدو أن أسراب الطيور تنتهك قوانين نيوتن، وقد وجد الفيزيائيون حلاً بديلاً
لأكثر من ثلاثة قرون، آمن الفيزيائيون بقانون إسحاق نيوتن الثالث، وهو أن لكل فعل رد فعل مساويًا له في المقدار ومعاكسًا له في الاتجاه. ومع ذلك، يبدو أن العديد من الأنظمة الجماعية في العالم الحقيقي تتجاهل هذه القاعدة. على سبيل المثال، ينتبه الطائر الموجود في قطيع بشكل أساسي إلى الطيور التي أمامه، وليس إلى الطيور التي تقف خلفه. تستجيب الخلايا التي تتحرك عبر الأنسجة لبعض الجيران دون غيرها. غالبًا ما تتصرف البكتيريا المحتشدة وحتى الحشود البشرية بطرق أحادية الجانب. لقد شكلت هذه التفاعلات غير المتبادلة تحديًا منذ فترة طويلة لأن العديد من الأدوات الرياضية التي يستخدمها الفيزيائيون تفترض أن الفعل ورد الفعل متوازنان. الآن، تقدم دراسة جديدة إطارًا يستعيد بشكل فعال الوصول إلى تلك الأدوات القوية دون تغيير الفيزياء الأساسية. يمكن لهذا العمل أن يسهل كثيرًا دراسة الحيوانات القطيعية، والمواد النشطة، والأنسجة البيولوجية، وربما حتى الأنظمة الكمومية الغريبة. قال مارين بوكوف، أحد مؤلفي الدراسة والباحث في معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة: “لقد طورنا وأثبتنا نظرية تجعل الكثير مما نعلمه لطلابنا قابلاً للتطبيق على الأنظمة غير المتبادلة أيضًا”. هذه الأنظمة، التي لا ينطبق عليها قانون نيوتن الثالث، يمكن الآن وصفها بدقة ومحاكاتها بدقة – حتى باستخدام الأساليب المعمول بها. وأضاف بوكوف: “هذا هو بالضبط نوع الأداة التي كانت مفقودة في السنوات الأخيرة. ما الخطأ في وجود الطيور في قطيع؟ في الأنظمة التقليدية، يمكن وصف التفاعلات من خلال دالة الطاقة، مما يسمح للباحثين باستخدام أساليب راسخة من الميكانيكا الإحصائية وفيزياء الأجسام المتعددة. تختلف الأنظمة غير المتبادلة. إذا استجاب طائر لطائر آخر ولكن ليس العكس، فلا توجد طاقة تفاعل واحدة تصف الزوج. وبدون مشهد الطاقة هذا، تصبح العديد من الأساليب التحليلية والحسابية القياسية غير متاحة. لا يزال بإمكان العلماء أن يستجيبوا. محاكاة الأنظمة مباشرة، ولكن الحسابات كانت في كثير من الأحيان أبطأ، وأقل مرونة، وأصعب في تفسيرها، وظل الإطار العام القادر على التعامل مع التفاعلات غير المتبادلة مع الحفاظ على مزايا الفيزياء التقليدية بعيد المنال في الفيزياء، يضيف الباحثون شركاء رياضيين إلى كل مكون حقيقي في النظام. يقول ريكارد أليرت، أحد مؤلفي الدراسة وعالم الفيزياء الحيوية في معهد ماكس بلانك: “إن الحيلة الكامنة وراء النظرية الجديدة هي أنها تبني شريكًا لكل مكون من مكونات النظام، وهو شريك وهمي غير موجود في الطبيعة”. يمكن إعادة كتابة التفاعلات كتفاعلات عادية ثنائية الاتجاه بين شركاء حقيقيين ومساعدين. ويخضع النظام الموسع الناتج للقواعد المتبادلة التي يعرف الفيزيائيون كيفية التعامل معها. وبمجرد فرض قيد معين، يعيد النموذج الرياضي إنتاج السلوك الدقيق للسرب غير المتبادل الأصلي. وتشبه الفكرة استراتيجية مشتركة في الفيزياء النظرية، حيث يتم إدخال متغيرات إضافية لتبسيط المشاكل الصعبة ترجمة التفاعلات غير المتبادلة إلى شكل متوافق مع ميكانيكا هاميلتون، وهو إطار رياضي يستخدمه الفيزيائيون للتنبؤ بكيفية تطور الأنظمة المعقدة مع مرور الوقت. ولتوضيح هذا النهج، درس الفريق نموذجًا يُعرف باسم نموذج مخروط الرؤية XY، وفي هذا النظام، يتفاعل كل عنصر فقط مع العناصر المجاورة التي تقع ضمن مجال رؤية محدد، تمامًا مثل الطيور التي تنتبه فقط إلى تلك التي أمامها أظهر الباحثون أنه من خلال إضافة شريك مساعد لكل عنصر وفرض علاقة شبيهة بالمرآة بين الاثنين، ظهرت الديناميكيات الأصلية تمامًا من الوصف الهاميلتوني، وكانت النتيجة فورية، وأثبت الفريق أن عمليات محاكاة مونت كارلو المستندة إلى الإطار الهاملتوني الجديد أعادت إنتاج الحالات الثابتة والمتغيرة للنظام غير المتبادل الأصلي، وهذا يعني أن العلماء يمكنهم الآن تطبيق التقنيات الحسابية التي كانت مخصصة سابقًا للأنظمة التبادلية التقليدية لقد فتح الإطار أيضًا أداة قوية أخرى، وهي هندسة Floquet، وهي تقنية تستخدم القيادة الدورية لمعالجة التفاعلات. وباستخدام صيغتهم الجديدة، أظهر الباحثون كيف يمكن تحويل نظام الدوران غير المتبادل بشكل فعال من شبكة ثنائية الأبعاد إلى سلوك يشبه مجموعة من السلاسل أحادية البعد، وكان من الصعب تحليل هذا التحكم دون وصف هاميلتوني يشير مؤلفو الدراسة إلى أن “الميكانيكا وديناميكيات هاميلتون إلى الأنظمة غير المتبادلة”. جسر إلى فيزياء جديدة، ولكن ليس الحل النهائي. يمنح الإطار الفيزيائيين طريقة جديدة لدراسة الأنظمة غير المتبادلة باستخدام العديد من الأدوات الراسخة التي تم تطويرها للفيزياء التقليدية. وبعيدًا عن الطيور المتدفقة والخلايا المتحركة، يمكن أن يساعد الباحثين على تحليل مجموعة واسعة من الأنظمة حيث تكون التفاعلات أحادية الجانب. حاليًا، ينطبق هذا النهج على التفاعلات الزوجية ويقدم شريكًا مساعدًا لكل مكون حقيقي، مما يجعل الأنظمة الأكثر تعقيدًا تحديًا. وبالنظر إلى المستقبل، يرغب مؤلفو الدراسة في استكشاف ما إذا كانت التفاعلات غير المتبادلة يمكن أن تنتج أشكالًا جديدة تمامًا من السلوك الكمي الجماعي
تم النشر: 2026-06-14 13:11:00
