När två människor vill ha olika saker, frustration är oundviklig. Men dessa icke-ömsesidiga interaktioner kan också inträffa inte bara mellan människor, men i den naturliga världen.

I en artikel publicerad 14 april i tidningen Natur , ett team av forskare vid University of Chicago beskrev hur system som består av många objekt som har sådana icke-ömsesidiga interaktioner kan utvecklas på överraskande sätt. Detta kan ligga till grund för många fenomen vi ser runt omkring oss, från neuroner till fågelflockar och kvantsystem.

Det finns ett fysikfält som handlar om att räkna ut det kollektiva beteendet som beror på att många objekt interagerar. Om föremålen har förmågan att röra sig enligt sina egna "preferenser, "de kallas aktiva medel. Till exempel, människor i folkmassor tenderar att röra sig tillsammans, eller fåglar kanske föredrar att anpassa sig i V-formationer medan de flyger.

Men eftersom de övervägde olika scenarier, forskarna fann att om preferenserna konkurrerar, ibland kan de skapa unika former av rörelse.

"Tänk dig två barn som måste sitta tillsammans vid ett bord i en trädgård för lunch, "sa studieförfattare och postdoktor Michel Fruchart." Det ena barnet vill sitta nära det andra. Men det andra barnet vill sitta så långt bort som möjligt från det första. Så snart det första barnet kommer närmare, det andra barnet flyttar bort, och de hamnar hela tiden runt bordet. "

När många oeniga agenter sätts ihop, detta skapar en konstant kollektiv rörelse, genereras av "frustrationen" i deras konkurrerande tendenser. "Det är ovanligt eftersom det inte finns något externt vridmoment, "sade professor Vincenzo Vitelli, en medförfattare till studien. "Rotationen kommer helt enkelt från hur agenterna interagerar."

Som en konsekvens, en rotation skapas spontant:agenterna (som robotarna i filmen) kan börja rotera antingen medurs eller moturs, beroende på deras ursprungliga förhållanden.

Teamet undersökte beteenden genom att ändra hur mycket agenterna håller med eller håller med varandra. De märkte att det ögonblick där den spontana rörelsen skapas motsvarar en fasövergång - som det ögonblick som vattnet förändras från vätska till is. "Men det är en speciell typ av fasövergång, markerad av det som är känt i matematiken som en exceptionell punkt, sa Fruchart.

Detta var spännande för forskarna eftersom det är en ny rynka för att förstå beteendet hos system med många interagerande objekt, ett fält som kallas många-kroppsfysik.

"Vidare, det intressanta med det är att det är en allmän teori, "sade studieförfattaren prof. Peter Littlewood." Det visar sig att denna övergång har några universella egenskaper som förekommer i många uppenbarligen orelaterade system. "

"Det var ett mycket spännande ögonblick, att inse det koncept vi jagade var mer allmänt - att det i stort sett framträder i naturen, "sade postdoktor och forskare med studien Ryo Hanai.

Hanai och Littlewood stötte på begreppet exceptionella punkter när de försökte förstå beteendet hos en typ av kvantämne som kan vinna eller tappa energi. De hade en aning om att de kunde förklara det utan kvantmekanikens språk. "Vi misstänkte att själva konceptet var mycket bredare, "sa Hanai." Lyckligtvis, University of Chicago är en plats där du kan gå ner i korridoren och prata med en av de ledande experterna på aktiva ämnen - och det är vad vi gjorde. "

Längre ner i korridoren, Vitelli och Fruchart studerade exceptionella punkter i ett helt annat sammanhang - inom ett område som kallas aktiv materia, som undersöker objektens beteende med inre energikällor, som en fågelflock eller muskelvävnad. De fyra fysikerna samarbetade för att utforska de förvirrande matematiska likheterna mellan dessa till synes olikartade ämnen.

"Du skulle tro att fysiken för system som kan få eller förlora energi och för icke-ömsesidiga system skulle vara distinkt, "sa Vitelli." Men när vi tittade på det, vi fann att skillnaden var suddig, så att du inte kan tänka dig det ena utan det andra. När du kan göra den skillnaden suddig, du har plötsligt många nya sätt att attackera ett problem. "

Eftersom icke-ömsesidiga system är utbredda, forskarna hoppas att deras resultat kan vara användbara inom områden utanför fysiken.

Till exempel, det finns två stora kategorier av neuroner i hjärnan:excitatoriska neuroner, som ökar andra neurons aktivitet, och hämmande neuroner, som minskar det. "Detta är i hög grad ett icke-ömsesidigt system, "Littlewood sa." Vi öppnar samarbeten med neurovetenskapliga forskare vid UChicago för att försöka se om det är användbart att tänka på det. "