牛顿第三定律失效芝加哥大学揭示新自然力系统影视界借鉴其对反作用力的重新理解

在无数的平衡系统中，牛顿第三定律依然如一，但当我们进入生命和非平衡状态的世界时，这个古老的定律就显得不那么准确了。芝加哥大学的一群研究人员近日宣布，他们发现了一种新的思考非平衡系统中相变的方法，这对于理解自然界以及电影与电视剧中的动作场景都有着深远的影响。

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。这一原理自1687年由艾萨克·牛顿提出以来，被广泛应用于物理学、工程学乃至电影制作中。但现实世界并非完全遵循这一规则。在生命体内，如生物细胞间或神经网络中的交互，每一次“推”与每一次“拉”的强度并不相同，更没有固定的方向。此外，在社会群体中，即使是在一个看似简单的人际关系网络里，也存在这样的不对称性。

芝加哥大学凝聚态理论家Vincenzo Vitelli将这种现象命名为“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，并且这些行动也不同，这种非互惠（nonreciprocity）的关系会如何改变我们的认识？”答案正在逐渐浮出水面，而这正是影视行业追求真实感所需探索的问题。

要解释那些违背常规规则、不断变化的事物，我们需要一种全新的数学工具——奇点。Vitelli团队在数学对象中找到了答案，将它们称为“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。奇点通常用来描述系统中的怪异现象，比如激光能量不断获得和损失的情况。

现在，Vitelli团队发现这些奇点还控制着非互惠系统中的相变。这项研究从量子怪异开始。几年前，芝加哥大学博士后研究员Ryo Hanai 和他的导师Peter Littlewood正在研究一种叫做极化子的准粒子。当光子与激子耦合时，就形成了极化子，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称为玻色-爱因斯坦凝聚 (Bose-Einstein condensate, BEC) 的物质状态。在BEC状态下，分离的原子全部坍缩成一个单一量子的状态。

但使用极化子来创建BEC极其复杂，因为这个系统是不稳定的：一些光子不断地逃离系统，就意味着光必须不断地被泵入以弥补差额。这类似于创造激光，对Hanai来说，“这是我们感兴趣的地方。”他们想知道：这些转变如何影响物质跃迁到BEC或其他奇异量子态？特别是，这些变化如何影响系统对称性的破坏？

鸟群也可以被视为对称性的破坏，它们不是以随机方向飞行，而是像磁铁中的自旋一样排列整齐。但鸟类，以及交通中的细胞、细菌和汽车，因为它们有内部能量来源，所以它们行为不同。而这正是Vitelli实验室关注领域——超材料，它们具有特殊性质，当超材料被压向某边或者另一边时，它们可能表现出不同的反应，有时候甚至会表现出特殊的小范围内能够发生的事情，即所谓之“异常点”。

通过将他们量 子工作扩展到所有非互惠系 统，他们四位科学家开始寻找支持 非互惠性和相 变之间联系的一般原 则。这考验了动手能力，以及构建物理机械模型来说明抽象现象的手段。不过，他们意识到使用可自己移动但受非互惠规则支配的构建块更接近实际情况。

为了验证这一理论，他们设计了一系列机器人游戏。一组机器人被编程成为红色或蓝色的，不同颜色之间有一定的偏好，但同时又被编程进行不守恒行为，使得任何单个机器人都不可能得到它想要的是什么结果。当启动游戏后，一种模式很快出现—机器人们开始缓慢而同步地旋转，最终基本上围绕中心保持静止，只朝同一点旋转。这是一个典型例证显示了无论是在科学还是艺术领域，都需要更多关于反馈力量以及它如何影响行为模式的问题探讨，以便真正捕捉自然界及其各种精妙之处。