Третий закон Ньютона нарушен в суспензии из 10 000 микрочастиц

Третий закон Ньютона — один из фундаментов физики: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. В пассивных системах это правило непреложно. Но в активной материи — системах, где частицы или их окружение потребляют энергию — всё иначе. Японские учёные продемонстрировали экспериментальный пример, в котором более 10 000 обычных коллоидных частиц нарушают эту симметрию и порождают устойчивое коллективное движение. Исследование опубликовано в *Physical Review Letters*. Ранее pronedra.ru рассказывала о необычных состояниях материи.

Нерецепрокные взаимодействия

Ключевое понятие работы — нерецепрокное взаимодействие: ситуация, когда частица A действует на частицу B сильнее, чем B действует на A. В пассивных системах это невозможно по законам термодинамики. В системах с подводом энергии — возможно.

Команда под руководством профессора Ютаки Сумино и доцента Кивама Ёсии из Токийского университета науки создала следующую экспериментальную систему:

• полистирольные коллоидные частицы двух размеров — радиусом 1 и 1,5 микрометра — суспендировали в воде;
• частицы помещали между прозрачными электродами, покрытыми оксидом индия-олова;
• на электроды подавали переменное электрическое поле, генерирующее электрогидродинамические (ЭГД) потоки вокруг частиц;
• поскольку интенсивность ЭГД-потоков резко зависит от размера частицы, большие частицы создавали более сильные потоки, чем маленькие.

Итог: большие частицы эффективно «преследовали» маленькие, тогда как обратное влияние было значительно слабее. Симметрия нарушена.

Что происходит в системе

Вместо того чтобы слипнуться в однородный сгусток (стандартное поведение при притяжении частиц друг к другу), система демонстрировала так называемое «арретированное огрубление»:

• частицы собирались в движущиеся пары и временные кластеры;
• кластеры постоянно распадались и образовывались вновь, не достигая постоянного равновесного состояния;
• суспензия сохраняла подвижность и структурную динамику неограниченно долго.

«Наша система предоставляет экспериментально контролируемый пример нерецепрокной многочастичной физики, где нарушение симметрии действия–противодействия порождает коллективные явления», — отметил профессор Сумино.

Куда ведут эти результаты

Исследование — прежде всего фундаментальная работа по физике неравновесных систем. Однако нерецепрокные взаимодействия интересны и с прикладной точки зрения: принципы, лежащие в основе подобных систем, могут вдохновить разработчиков самоорганизующихся роботизированных ансамблей, систем доставки лекарств с управляемой агрегацией и новых вычислительных архитектур, имитирующих коллективное поведение биологических систем.