最新资讯芝加哥大学揭示自然界新现象牛顿第三定律失效的奇迹系统

在自然界中，许多系统并未达到平衡状态，比如生命本身。在这些非平衡系统中，牛顿第三定律不再适用。芝加哥大学的研究人员最近发现了一种新的方法来思考和理解这些非平衡系统中的相变。

牛顿第三运动定律表述是：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这个原理400年来一直指导着我们对事物运动规律的理解。但是在那些没有达到完全平衡状态的系统中，这个原理就失效了。

芝加哥大学凝聚态理论家Vincenzo Vitelli将这种现象称为“非互惠系统”。他提出了一个问题：“想象一下，如果 A对B 粒子的作用方式与 B对A的作用方式不同，并且作用力也不同，这种非互惠（nonreciprocity )关系出现在神经网络中，甚至社会群体中，会变成什么样？”

对于这些不守规矩的系统，我们需要一种全新的思维方式。Vitelli和他的团队找到了答案，他们称之为“奇点”，即两个或多个特征属性变得无法区分并在数学上合二为一的地方。在奇点上，系统行为发生突然变化，使得统计力学无法描述这样的转变。

这项研究从量子怪异开始，一些准粒子被发现具有极低质量，它们可以移动得非常快，并且可以在比其他粒子更高温度下形成一种特殊材料——玻色-爱因斯坦凝聚体 (Bose-Einstein condensate ，BEC)。但使用极化子创建BEC是一个复杂过程，因为这个过程不断地泵入能量以弥补损失。这类似于创造激光，对Hanai和Littlewood来说，是一个有趣的问题：如何影响物质跃迁到BEC或其他奇异量子态？

他们还探索了鸟群、磁性材料以及交通中的细胞、细菌和汽车等例证，这些都是破坏对称性的现象，但它们与统计力学模型不同，因为它们有内部能量来源。

通过将临界点和奇点联系起来，他们提出了一种新的通用机制，即通过这种机制，可以解释为什么一些动态体系中的转变会表现出共享的一般属性，无论它们是否依赖于量子力学还是经典物理。这项工作由Vitelli实验室的一个团队完成，他们利用分叉理论框架放宽了关于能量格局通常假设，将他们最初基于物理学概念构建的一般性原则扩展到了所有非互惠性驱动的体系。

最后，他们使用乐高积木作为模型，用机器人演示了如何实现这一切。这一切都证明了，在自然界中，有很多未知领域等待着科学家去探索，而芝加哥大学正在领导这一前沿研究，为我们提供了更多关于世界运作方式新见解。