群れ離すの驚くべき物理学

温帯世界中の早い秋の午後、ラグが今集まっています。 小さなハエの雲、太陽によって輝く翼、目に沿って行くには余りにも速く、複雑なパターンで渦巻き打つが、精神的な残像を残します。 注文である。 完璧な秩序ではない混沌それ以上のものです。

このような群れを研究する科学者によると、秩序のような印象は正確です。 ラグの動きで虫雲から期待できること以上の属性の数学的署名を見つけることができます。 グループとして、彼らは、液体や気体のように行動し、ある状態から別の状態への急激な変化が瞬く間に起こる物質の奇妙な段階である「臨界」の特性を見せることもあります。

「集合的相関関係は、システムをミクロ的な詳細から解放することができます。」と、ローマの複合システム研究所（Institute for Complex Systems）の物理学者Andrea Cavagna博士は言います。 群れラグ以上です。

Cavagna博士と彼のパートナーであるローマのLa Sapienza大学の理論物理学者Dr. Irene Giardinaがラグに関心をかける前に、彼らはムクドリの群れを研究しました。 ムクドリの群れを呼ぶようにささやくすべての新しいの軌跡を測定するために、高速ビデオカメラを使用して、研究者たちは、2009年ムクドリ一匹が方向や速度を変える最も近くにある新しいも、順番に最も近くにある新しいも変更するという事実を発見した。 すべてのこと。 雑音の各ムクドリはこう接続されています。、どんなに落ちても。

統計力学の用語で、これを尺度ない相関と呼ばれます。 液体が気体になる点で液体を経るか、または特定の温度に冷却されるときに熱い鉄の塊の粒子が同時に方向を変更して、磁石を作る方法などのしきい値のプロパティです。

今年ムクドリのDr. CavagnaとDr. Giardinaの研究では、彼らに権威ある賞を受けました。 マックスデルブリュック生物学物理学賞。 研究の初期に子供たちをローマの公園に連れて間、彼らは草の上を飛んでいるラグの群れに驚きを禁じえなかったし、彼らにも疑問に思い始めました。

小さな群れはつぶやきだけ細かく編まれたかのように見えなかったが、昆虫も互いに完全に独立して動くようには見えませんでした。 Giardina博士は「私たちは、同じ種類のモデルが小さな群れを説明するためにも使用されることができるという考えをしました。」と言いました。

研究者は、群れのカメラを訓練しました。 群れの消滅と視聴者の侵入好奇心を考慮すると、小さな偉業はありません。 無理のラグは、集合的に相関関係があります。。

それらは、ほぼ完璧に近い同期と同じ方向に向かっていないし、ムクドリのように相関関係の程度も強くありません。 また、無理内の他の方向に動くサブグループがある場合があり、個人は一サブグループから別のサブグループに切り替えるので、無秩序が表示されます。 それにもかかわらず、イラクサはすべて絡み合っています。

研究者は、また、群れの大きさが増加するにつれて 彼らはより密になる そしてラグの飛行は、より密接に関連します。 これはおそらく、小人が隣人の賑やかな翼音に反応する方式の機能である可能性があり、これにより、最適な相関関係を維持することができます。

Giardina博士は、「システムが可能な最大の応答を得ることができるように、独自の構成と同じです。」と言いました。 Cavagna博士は、これを「最大限感受性」をナビゲートする方法を説明して突然の調整された動きを可能にします。

Cavagna博士は「物理的なシステムに最も近いモデルは磁石です。つまり、磁化直前粒子の方向の突然の集団移動します。しかし、彼はテテテテがその臨界点にあるのではなく、その近くにいるだけだと強調しました。

これは物理的な限界であることができると彼は指摘した。 真の臨界は群れで発見されたものよりもより多くのユニットがあるシステムでのみ発生します。 1グラムのスペル席には、約10,000,000,000,000,000,000,000の鉄原子が含まれているのに対し適当な大きさの小さな束には数百個の小さな束のみが含まれています。

しきい値に到達することが彼らに災いになることがあり、無理がすべての動揺、空気のパフまたはくしゃみに該当するすべてのものに敏感にすることができます。 研究を綿密に追跡したスペインのグラナダ大学の物理学者MiguelMuñoz博士は「最も良い妥協案は、しきい値に近接することです。」と言いました。 「反応性を利用しますが、あまりにも近くにいません。あまりにも近くにあれば何でも反応するからです。」

無理を造って得ることができる潜在的な利点は、ムクドリに役立つことができる同期されたねじりと回転をする呟きで明らかです。 捕食者を避けるために。

ほぼ完全に雄で構成された未知離しても繁殖機能をし、雌が空中に入って対をやった。 おそらくほとんど臨界で動作することが中間ロマンスに役立つか？ それ知ることができません。 Cavagna博士は混雑属性が適応的ではなく、単純に「数学の副作用」である可能性もある言いました。

Muñoz博士はCavagna博士とGiardina博士の研究結果を「確実」と考えられるが、いくつかの科学者は、問題を提起します。 捕虜ラグの彼の研究でStanford Universityの物理学者Nicholas Ouellette博士と彼の同僚は相関関係が急速に発生していないことを発見しました。 彼らが起こったとき、相関関係は、臨界の枠に合わなかった。

しかし、無理はまだ興味深いものです。 Physical Review Lettersの2017年の論文でDr. Ouelletteと彼の共著者は、飛行パターンが 蒸気層に囲まれた凝縮コア。

そしてチームが群れが形成された視覚的なランドマークを外したときの群れが二つに分かれました。 （自然のランドマークは、丸太や葉であるが、実験室では、一枚の紙であった。）そうすることによって群れが 流体ではなく、固体のように振る舞う英国Rothamstead Researchの理論生物学者Andrew Reynolds博士は「最終的には爆発する前に、緊張が高まっているように見えます」と言いました。

「他の刺激は、他の行動を誘発することができます。」とReynolds氏は言いました。 彼はスタンフォード実験に参加していなかったが、Ouellette博士と一緒に他の実験に協力しました。 揺れ砕けた ジェルオのように。 今年初めOuellette博士と彼の同僚は群れがどのように見えるか説明しました。 熱力学の法則の支配を受ける。

これらの発見は、群れが、個々の昆虫の集合体というよりは、単一のオブジェクトとして理解されることがあることを示唆し、修正の決定が水槽の原子以外の別個の物体として認識されている方式です。 Ouellette博士は「あなたは、それが何で作成された見ることができないので、それを一つと考えすることに慣れています。」と言いました。 「この群れは、個人ではなく、グループのプロパティがよく定義された物質の属性を持っています。 “

相関関係と重要度についての意見の不一致は、最終的に、より多くの研究を通じて解決されています。 両方のグループが合うことがあります。 サイズと状況に応じて、研究者が説明したすべての形態で、小さな群れが存在することができます。

科学的なほこりがたまる所に群れがどのように素晴らしいか、そして一見異質な現象の基底に敷かれている原理を焦らす垣間見ることができるという事実を理解することができます。 研究のためのMuñoz博士の関心は、次のような発見によって引き起こされました。 ニューラルネットワークと細胞機能の重要性; 群れのダイナミクスと細胞の興奮を画像に変える脳やDNAの指示を表現するゲノム間の類似点があることがあります。

「重要性は、単純なコンポーネントで絶妙な調整と複雑さを作成し、進化によって、複数回利用されている統合の原則になることがあります。」と彼は言いました。 そして群れがほとんど致命的でなくても接続はまだ深い。

Reynolds博士は研究者たちが長い間の群れを比較した言及しました。 独自の重力システムに、風の強い日に凝集力を維持するために役立つ力を惑星を一緒に結合力に例えています。 最近の論文では、彼の群れをほこり、ガス、プラズマのセットにたとえました。 星間雲から。

Reynolds博士は「私は今、小さな群れを見るたびに偉大な美しさと微妙にします。」と言いました。 「彼らは私の道を防ぎます。」