Предложена новая теория для объяснения случайностей в реальном мире
В реальных условиях жидкости часто содержат частицы, которые движутся сами по себе, например крошечные плавающие микроорганизмы.
Броуновское движение описывает случайное движение частиц в жидкостях, однако эта модель работает только тогда, когда жидкость статична или находится в равновесии.
В реальных условиях жидкости часто содержат частицы, которые движутся сами по себе, например крошечные плавающие микроорганизмы. Эти самоходные пловцы могут вызвать движение или перемешивание жидкости, что выводит ее из равновесия.
Эксперименты показали, что неподвижные «пассивные» частицы могут проявлять странные петлевые движения при взаимодействии с «активными» жидкостями, содержащими пловцов. Такие движения не согласуются с обычным поведением частиц, описываемым броуновским движением, и до сих пор ученые пытались объяснить, как такие крупномасштабные хаотические движения возникают в результате микроскопических взаимодействий между отдельными частицами.
Теперь исследователи из Лондонского университета королевы Марии, Университета Цукуба, Федеральной политехнической школы Лозанны и Имперского колледжа Лондона представили новую теорию, объясняющую наблюдаемые движения частиц в этих динамических средах.
Они предполагают, что новая модель может также помочь сделать предсказания о реальном поведении биологических систем, таких как модели добывания пищи плавающими водорослями или бактериями.
«Броуновское движение широко используется для описания диффузии во всех физических, химических и биологических науках; однако оно не может быть использовано для описания диффузии частиц в более активных системах, которые мы часто наблюдаем в реальной жизни.» — говорят ученые.
Решив динамику рассеяния между пассивными частицами и активными пловцами в жидкости, исследователи смогли получить эффективную модель движения частиц в «активных» жидкостях, которая учитывает все экспериментальные наблюдения.
Их обширные расчеты показывают, что эффективная динамика частиц следует за так называемым «полетом Леви», который широко используется для описания «экстремальных» движений в сложных системах, которые очень далеки от типичного поведения, например в экологических системах или динамике землетрясений.
Доктор Киеси Канадзава из Университета Цукуба, первый автор исследования, сказал: «До сих пор не было объяснения, как полеты Леви могут на самом деле происходить на основе микроскопических взаимодействий, которые подчиняются физическим законам. Наши результаты показывают, что полеты Леви могут возникать как следствие гидродинамических взаимодействий между активными пловцами и пассивными частицами, что очень удивительно.»
Ученые обнаружили, что плотность активных пловцов также влияет на продолжительность режима полета Леви, предполагая, что плавающие микроорганизмы могут использовать полеты питательных веществ Леви для определения наилучших стратегий добывания корма для различных сред.
«Наши результаты показывают, что оптимальные стратегии добывания пищи могут зависеть от плотности частиц в окружающей среде. Например, при более высоких плотностях активные поиски могут быть более успешным подходом, тогда как при более низких плотностях может быть выгодно просто ждать, пока питательное вещество приблизится, поскольку его тащат другие пловцы и исследуют более крупные области пространства».
«Однако наша работа не только проливает свет на то, как плавающие микроорганизмы взаимодействуют с пассивными частицами, такими как питательные вещества или деградированный пластик, но и раскрывает в более общем плане, как случайность возникает в активной неравновесной среде. Это открытие может помочь нам понять поведение других систем, которые выводятся из равновесия, что происходит не только в физике и биологии, но и на финансовых рынках, например.»
Английский ботаник Роберт Браун впервые описал броуновское движение в 1827 году, когда он наблюдал случайные движения пыльцевых зерен при добавлении их в воду.
Десятилетия спустя знаменитый физик Альберт Эйнштейн разработал математическую модель, объясняющую это поведение, и тем самым доказал существование атомов, заложив основы для широкого применения ее в науке и за ее пределами.
‘Loopy Lévy flights enhance tracer diffusion in active suspensions.’ K Kanazawa, T Sano, A Cairoli, and A Baule. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2086-2 , http://www.nature.com/articles/s41586-020-2086-2