Фізики навчилися керувати натовпом за допомогою безладу

Міжнародний колектив вчених показав, як неупорядкований зовнішній вплив здатний якісно змінювати колективну поведінку активної матерії: групи рухомих частинок або, наприклад, зграї птахів або натовпи людей. Дослідження опубліковано в Авторі вивчали, як відрізняється рух активних колоїдних частинок (розміром кілька мікрон), якщо зовнішній вплив був рівномірним або нерівномірним, але з такою ж середньою інтенсивністю. Як цей вплив виступав лазерний промінь, який за звичайних умов змушує колоїдні частинки фокусуватися в одній області (такий метод часто називають «оптичним пінцетом»). Для того, щоб активувати частинки, в розчин також додавали суспензію бактерій. Ці мікроорганізми мають власну рухливість, а за рахунок зіткнень також змушують сусідні колоїдні частинки рухатися швидше, ніж у звичайному дифузійному режимі. Через невеликий перепад температури, який створював лазерний промінь, концентрації бактерій всередині і зовні нього були різними. Це призводило до того, що в центрі освітленої плями колоїдним частинкам було менш вигідно перебувати. Вчені розглядали два варіанти зовнішнього опромінення: 1) лазерна пляма рівномірна; 2) лазерна пляма хаотично розсіяна, тобто містить острівці з більшою або меншою інтенсивністю. При цьому в кожному випадку розглядалися системи в присутності бактерій або без них.


У неактивованій системі (без клітин бактерій) поведінка частинок якісно не відрізнялася залежно від опромінення: з плином часу вони концентрувалися всередині освітленої плями, утворюючи щільну упаковку. Однак у присутності бактерій частинки рухалися в протилежні сторони: при рівномірному опроміненні вони повільно фокусувалися всередині плями, а при хаотичному - так само повільно залишали освітлену область. Автори пояснюють такі незвичайні результати тим, що при рівномірному опроміненні існує лише один локальний центр, де найвигідніше знаходиться частинкам. При цьому ті з них, хто вже потрапив у центр, «притискаються» зовні іншими частинками, тому не можуть вийти з нього. У разі нерівномірного освітлення глобальний мінімум енергії (тобто найбільш вигідне положення) як і раніше один, проте локальних мінімумів безліч. Кожен з них може «захопити» частинку, що порушує щільну упаковку і загальну симетрію системи. У підсумку через підвищену концентрацію бактерій в освітленій ділянці часткам все ж виявляється вигідніше вийти з цієї області. Результати нового дослідження, на думку авторів, застосовні до багатьох приватних випадків активних систем. Найбільш близькою аналогією є аномальна дифузія, яка спостерігається всередині живих клітин. Однак вчені наводять і інші приклади: зграї перелітних птахів або великі скупчення людей. У всіх випадках нерівномірний зовнішній вплив може відігравати ключову роль у тому, який механізм руху встановиться в системі.


COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND