Физики заставили 10 000 частиц нарушить третий закон Ньютона на целый час

Некоторые законы физики настолько фундаментальны, что служат основой науки уже несколько столетий. Однако с развитием технологий учёные способны создавать небольшие системы, которые, пусть и временно, обходят эти законы. Когда это происходит, начинают наблюдаться довольно необычные явления.

В недавнем исследовании, японские физики создали систему из более чем 10 000 частиц, которая нарушала третий закон движения Ньютона на протяжении целого часа. Согласно этому закону, пассивные частицы воздействуют друг на друга с равными силами, так что ни одна не может внезапно самостоятельно толкнуть себя вперёд.

При разработке этой системы команда подвергла частицы воздействию переменного электрического поля. В результате пассивные частицы спонтанно образовывали пары и начинали "гоняться" друг за другом в жидкой среде.

Ютака Сумино, соавтор исследования и физик из Токийского научного университета в Японии, сказал:

Это исследование показывает, что нарушение симметрии действия и противодействия – фундаментальный принцип, порождающий новые формы коллективного движения и самоорганизации материи.

Если цитировать Ньютона, то третий закон движения гласит, что "взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны". Ключевым моментом здесь выступает симметрия, взаимная связь между действием и противодействием.

Учёные также нашли способы использовать этот принцип с пользой для себя. Например, тяга ракетного двигателя возникает благодаря действию горячего газа, вырывающегося из сопла сзади, что создаёт реакцию в виде силы тяги в противоположном направлении.

В последнее время исследователи изучают системы, нарушающие эту симметрию. Для нового эксперимента команда поместила микроскопические коллоидные частицы в воду, а затем заключила их между специально изготовленными электродами. После этого учёные применили переменное электрическое поле.

Изначально более крупные частицы создавали больший электрический поток, притягивая к себе мелкие частицы. Это привело к дисбалансу, из-за которого частицы начали двигаться как самодвижущиеся единицы через суспензию.

Для сравнения команда провела похожий опыт с суспензиями, содержавшими частицы только одного размера. Результаты оказались совершенно иными, ведь частицы демонстрировали взаимные взаимодействия и постепенно организовывались в кристалл.

Ютака Сумино:

Если говорить проще, частицы, которые притягиваются друг к другу, такие как песок, порошок или капли дождя, обычно со временем продолжают собираться, образуя всё более крупные скопления. Система с частицами разного размера тоже группировалась, но никогда не слипалась навсегда, вместо этого собираясь, а затем разделяясь.

Команда предполагает, что похожие взаимодействия происходят и в биологических системах, например, в колониях клеток и группах животных.

Если это подтвердится, изученный механизм может вдохновить на создание программируемых материалов и микроробототехнических систем.