2025-01-15 智能化学会动态 0
在一个充满变化和生命的世界里，牛顿第三定律似乎并非总是适用。芝加哥大学的研究人员最近发现了一种新的系统，这里的作用力与传统的反作用力不同。这一发现对理解那些不遵循平衡原则的系统至关重要，比如生物体内部发生的一切。
这种非互惠性现象并不仅限于自然界，它也存在于社会群体中。想象一下，如果A对B粒子的行为与B对A粒子的行为完全不同，那么这种奇特关系会如何影响我们的日常生活？Vincenzo Vitelli教授指出：“这类似于神经网络或社交网络中的相互作用。”
对于这些规则背离的系统，我们需要一种全新的方法来描述它们。在数学上，这意味着探索所谓的“奇点”，即两个或多个属性变得不可区分，并在数学上合二为一的地方。这类现象通常用于描述复杂的情况，如激光中的能量不断增减。
Vitelli团队最新的研究表明，这些奇点还控制着非互惠性的相变过程。尽管此前物理学家和数学家已经研究过奇点，但他们从未将其联系起来与相变。Vitelli认为他的发现可能会推动我们对数学、物理学领域产生重大影响。
这个研究起源于量子怪异领域，其中包括极化子——一种特殊类型的小型粒子。当光子和激子结合时，极化子就会出现，并且它们能够形成称为玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate, BEC）的物质状态。在这样的状态下，一组原子都会坍缩成一个单一量子的状态。
然而，在创建BECS时遇到了挑战，因为这个系统是一个“漏斗”——一些光子不断逃逸出来，因此需要不断补充以维持平衡。此外，由于这些极化子的特性，它们可以移动得非常快，而且可以在更高温度下形成BECS，而不是其他类型的粒子。
Hanai说：“这是我们理论上的兴趣所在。” 这就像创造激光一样，他们想要了解这些非平衡条件如何影响物质跃迁到BECS或者其他异常量态，以及它如何影响系统内外部对称性的破坏。
汉艾和利特伍德开始探索最常见相变，比如水，从而扩展了他们最初关于极化子的工作。他说，“尽管液态水和蒸汽看起来截然不同，但它们之间基本没有任何对称性差别。”
他们怀疑临界点（转换点）和奇点有共同之处，即使它们显然来自不同的机制。这就像是在宇宙学、高等能物理学以及生物学中普遍存在的一个抽象概念，只不过无法区分这两个阶段一样。在某些情况下，对称性被打破，然后恢复，再次被打破，这是一个周期重复的情形，就像鸟群飞行时整齐排列一样。但是，有一个关键差别：铁磁材料易受到统计力学解释，因为它是一个平衡系统；而鸟群、交通中的细胞、细菌及汽车由于内部能量来源，所以表现出不同的行为模式。
利用分叉理论框架，将他们之前关于量子的工作扩展到所有非互惠系 统中，他们四位科学家开始寻找支持非互惠性与相变之间联系的一般规则。为了测试这一观念，他们构建了由乐高积木组成的地图，以模拟拓扑材料边缘移动方式与内部移动方式不同。但要获得特别成绩，他意识到使用自己可移动但受非互惠规则驱动构件模型更有效果。他设计了一种机器人游戏，其中每个机器人都被编程以相同颜色的机器人保持一致，同时也被编程执行各种各样的策略，以保证没有任何一个机器人得到它所追求的事物。此后，当启动时几乎立即出现了模式，机器人开始缓慢旋转直至停留在地面上朝向同一点旋转。这证明了即使在简单的情况下，不遵守传统力量法则也是可能实现自组织结构发展的一种方式。
