新理论确定了“嘎嘎作响”的物理原理与自组织的关系

Josiah02

如果您曾经观察过一大群展翅的鸟儿，它们像一朵云一样在天空中移动，从看似混乱的状态中呈现出各种形状和方向的变化，或者观察过一群蚂蚁如何搭建桥梁和木筏逃离洪水，那么您就观察到了科学家所说的自组织。
可能不太明显的是，自组织现象在整个自然界中都存在，包括细菌群落、蛋白质复合物和混合材料。理解和预测自组织现象，尤其是生物等非平衡系统中的自组织现象，是统计物理学的一个持久目标。
这一目标是最近提出的物理学原理“震颤”背后的动机，该原理假定具有足够“混乱”动态的系统会组织成研究人员所称的低震颤状态。
尽管该原理已被证明适用于机器人群系统，但它太过模糊，无法进行更广泛的测试，而且它究竟为何有效以及应该应用于哪些其他系统尚不明确。
计算机科学学院教授达娜·兰德尔（Dana Randall）和数据工程与科学研究所博士后研究员雅各布·卡尔弗特（Jacob Calvert）提出了一种关于嘎嘎作响的理论，可以回答这些基本问题。
他们的论文《非平衡稳定状态的局部-全局原理》本月发表在《美国科学院院刊》上，描述了震颤与系统处于某一状态的时间之间的关系。他们的理论进一步确定了震颤可以解释自组织的系统类型。
“当我们第一次从物理学家那里听说嘎嘎声时，我们很难相信这是真的。我们的工作源于我们自己想要理解它的愿望。我们发现这个想法的核心非常简单，而且比物理学家猜测的更为广泛，”兰德尔说。
除了其基本的科学意义之外，这项研究成果还可以直接用于分析各个科学领域的现象模型。此外，在非平衡系统中寻求组织的实验者可能能够诱导低震荡状态以实现其预期目标。
两人认为这项研究对设计微粒、机器人群和新材料很有价值。它还可能提供新的方法来分析和预测微观和纳米尺度的生物系统中的集体行为。