Emory universiteto (Emory University, JAV) Burtono laboratorijos fizikai pademonstravo, kaip mažų dalelių sistema gali pasikeisti, kolektyviai pereidama iš netvarkingos būsenos į tvarkingą, panašią į kristalinės gardelės būseną, net jei aplinka išlieka nesikeičianti.
„Mes sukūrėme galbūt pačią paprasčiausią fizinę sistemą, kuri laikui bėgant nuolat gali keistis, net jei jos aplinka yra nesikeičianti““, – teigia Justinas Burtonas (Justin Burton), Emory universiteto fizikos profesorius. „Tiesą sakant, sistema yra tokia paprasta, kad mes nesitikėjome, kad joje būtų galima išvysti tokį sudėtingą elgesį“.
Toks elgesys būdingas gyvoms sistemoms, pavyzdžiui, neuronams ar vabzdžių kolonijai, kur vieni sistemos elementai gali perduoti ar blokuoti signalus ir taip valdyti kitus sistemos elementus, ir saviorganizuojančioms sistemoms. Tačiau šiame eksperimente buvo tiriama negyva sistema – plastiko dulkų dalelės, esančios jonizuotų argono dujų aplinkoje.
Tokios atskiros dalelės negali keisti savo būsenos. Tačiau kai yra jų grupė – šio tyrimo duomenimis, dalelių turėtų būti bent 40, tuomet sistema gali „persijungti“ – iš netvarkingos būsenos, būdingos skysčiams, virsti tvarkinga, panašia į kristalinę gardelę.
Tyrėjų teigimu, eksperimento rezultatai rodo, kad sistemų gebėjimas keisti savo elgesį yra universalesnis, nei manoma iki šiol.
Burtono laboratorijoje tiriamos mažų dalelių elgesys – tokios sistemos yra sudėtingesnių sistemų supaprastinti modeliai, kurie gali imituoti realių reiškinių savybes, pavyzdžiui, kietų kūnų lydymąsi, garavimą, jų elgesį, veikiant išorinėms jėgoms.
Dulkelių dydžio plastiko dalelės yra pasklidusios vakuuminėje kameroje, pripildytoje plazmos – jonizuotų argono dujų. Pakeitus dujų slėgį kameros viduje, galima tirti, kaip dalelės elgiasi – pavyzdžiui, iš visiškai chaotiško judėjimo pereina į tvarkingą sistemą, kur kiekviena užima stabilią padėtį.
Šis atradimas padarytas visai atsitiktinai – į vakuuminę kamerą buvo įbertas įelektrintų dalelių sluoksnis, stebint, kaip jos levituoja virš elektrodo, ir mažinamas dujų slėgis. Tačiau jau po kelių minučių plika akimi buvo galima stebėti, kad dalelės ėmė keistai elgtis – kas kelias dešimtis sekundžių iš būsenos, kada dalelės juda netvarkingai, kaip dujų molekulės, sistema tapdavo tvarkinga, o po kiek laiko vėl persijungdavo į kitą – netvarkingą – būseną, ir šis procesas nuolat kartodavosi.
„Įsivaizduokite, kad kambario temperatūroje palikote ledo gabalą. Tikriausia nenustebsite, jei ledas ištirs. Tačiau būtų visai nelaukta, jei jis vėl užšaltų, o po to vėl ištirptų“, sako tyrimo autoriai. „Tačiau dujose kybančių dalelių sistema elgiasi būtent taip“.
Būsenų keitimasis yra mūsų fizinio pasaulio dalis“, – sako prof. Burtonas. „Niekas neišlieka stabilioje būsenoje ilgą laiką – nuo Žemės klimato iki smegenų neuronų. Supratimas, kaip sistemos persijungia, yra vienas esminių fizikos klausimų. Mūsų modelis leidžia sukurti tikriausiai pačią minimaliausią persijungiančią sistemą, ir taip padėti nuvilkti sudėtingumo šydą nuo tokio tipo reiškinių. Jis gali suteikti pagrindą, kuris padėtų suprasti ir gerokai sudėtingesnes sistemas“.
Šis tyrimas paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“, pažymint, kad tai pirmasis tokio dinaminio sistemos elgesio eksperimentinis realizavimas.
Guram Gogia et al. Emergent Bistability and Switching in a Nonequilibrium Crystal, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.178004
Physicists show how lifeless particles can become ‘life-like’ by switching behaviors
Daugiau:
Pademonstruota didelio objekto akustinė levitacija