Jato ptica imaju različite karakteristike od onih atoma u materijalu, ali kada je u pitanju kolektivno kretanje, razlike su manje važne nego što mislimo. Možemo pokušati da predvidimo ponašanje ljudi, ptica ili ćelija na osnovu istih principa koje koristimo za čestice.
Ovo je nalaz studije objavljene u časopisu za teoriju i eksperiment statističke mehanike, JSTAT, koju je sproveo međunarodni tim koji uključuje saradnju MIT-a u Bostonu i CNRS-a u Francuskoj. Studija, zasnovana na fizici materijala, simulirala je uslove koji izazivaju iznenadni prelazak iz neuređenog u koordinisano stanje u „samohodnim agensima“ (poput bioloških).
„Ptice su na neki način leteći atomi“, objašnjava Julien Tailleur, sa MIT Biophisics, jedan od autora istraživanja. „Možda zvuči čudno, ali zaista, jedan od naših glavnih nalaza bio je da način na koji se kreće gomila koja hoda, ili jato ptica u letu, deli mnogo sličnosti sa fizičkim sistemima čestica.
Kako Tailleur objašnjava, u oblasti proučavanja kolektivnog kretanja pretpostavljalo se da postoji kvalitativna razlika između čestica (atoma i molekula) i bioloških elemenata (ćelije, ali i celih organizama u grupama). Posebno se verovalo da je prelazak sa jedne vrste kretanja na drugu (na primer, iz haosa u uredan tok, poznat kao fazni prelaz) potpuno drugačiji.
Ključna razlika za fizičare u ovom slučaju ima veze sa konceptom udaljenosti. Čestice koje se kreću u prostoru sa mnogim drugim česticama utiču jedna na drugu prvenstveno na osnovu međusobnog rastojanja. Za biološke elemente, međutim, apsolutna udaljenost je manje važna.
„Uzmite goluba koji leti u jatu: važni mu nisu toliko svi najbliži golubovi, već oni koje može da vidi. U stvari, prema literaturi, među onima koje može da vidi, može da prati samo konačan broj, zbog svojih kognitivnih granica.
Golub je, u žargonu fizičara, u „topološkom odnosu” sa drugim golubovima: dve ptice mogu biti na prilično velikoj fizičkoj udaljenosti, ali ako su u istom vidljivom prostoru, one su u međusobnom kontaktu i utiču jedna na drugu. .
Dugo se verovalo da je ova vrsta razlike dovela do potpuno drugačijeg scenarija za pojavu kolektivnog kretanja „Naša studija, međutim, sugeriše da to nije ključna razlika“, nastavlja Tailleur.
„Očigledno, ako bismo želeli da analiziramo ponašanje prave ptice, postoje tone drugih složenosti koje nisu uključene u naš model. Naše polje sledi savet koji se pripisuje Ajnštajnu, naime da ako želite da razumete fenomen, morate da bude „što jednostavnije, ali ne i jednostavnije“.
„Ne najjednostavniji mogući, ali onaj koji otklanja svu složenost koja nije relevantna za problem. U konkretnom slučaju naše studije, to znači da razlika koja je stvarna i postoji — između fizičke udaljenosti i topološkog odnosa — ne menja priroda prelaska na kolektivno kretanje“.
Model koji koriste Tailleur i njegove kolege inspirisan je ponašanjem feromagnetnih materijala. Ovi materijali imaju – kao što ime govori – magnetna svojstva. Na visokoj temperaturi ili maloj gustini, spinovi (pojednostavljenje: smer magnetnog momenta povezanog sa elektronima) su nasumično orijentisani zbog velikih toplotnih fluktuacija i stoga su neuređeni. Međutim, pri niskim temperaturama i visokoj gustini, interakcije između spinova dominiraju fluktuacijama i pojavljuje se globalna orijentacija spinova (zamišljajući ih kao mnogo poravnatih malih igala kompasa).
„Moj kolega Hugues Chate je pre dvadeset godina shvatio da bi, ako bi se obrtaji kretali u pravcu u kome su usmereni, oni poređali kroz diskontinuiranu faznu tranziciju, sa iznenadnom pojavom velikih grupa okreta koji se kreću zajedno, slično kao jata ptice na nebu“, kaže Tailleur.
Ovo se veoma razlikuje od onoga što se dešava u pasivnom feromagnetu, gde se pojava reda javlja postepeno. Do nedavno, fizičari su verovali da će modeli inspirisani biologijom u kojima se čestice poravnavaju sa svojim „topološkim susedima“ takođe doživeti kontinuiranu tranziciju.
U modelu korišćenom u studiji, Tailleur i kolege su pokazali da se, umesto toga, primećuje diskontinualna tranzicija, čak i ako se koristi topološki odnos umesto udaljenosti, i da bi ovaj scenario trebalo da se primenjuje na sve takve modele.
„U nekim granicama, detalji o tome kako se usklađujete su irelevantni“, kaže Tailleur, „a naš rad pokazuje da bi ova vrsta tranzicije trebalo da bude generička“.
Drugi nalaz je da se u korišćenom modelu stratifikovani tokovi formiraju unutar veće grupe, što je slično onome što takođe posmatramo u stvarnosti: retko je da se masa ljudi kreće zajedno u jednom pravcu; nego u njemu vidimo kretanje konačnih grupa, prepoznatljivih tokova koji prate nešto drugačije putanje.
Ovi statistički modeli, zasnovani na fizici čestica, stoga nam takođe mogu pomoći da razumemo biološko kolektivno kretanje, zaključuje Tailleur.
„Put ka razumevanju kolektivnog kretanja kako ga vidimo u biologiji – i da ga koristimo za dizajniranje novih materijala – još je dug, ali napredujemo.“
