علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Physicists reveal how motion can be generated by frustration
(بقلم: لويز ليرنر – Louise Lerner)
راجع (الترجمة) الدكتور ثامر عبد المحسن العيثان، قسم الفيزياء ، جامعة الملك فهد للبترول والمعادن
وضع باحثو جامعة شيكاغو نظرية للحقل الناشئ للمادة غير التبادلية
عندما يريد شخصان أشياء مختلفة، فإن شعورهما الإحباط (1) أمر لا مفر منه. لكن هذه التفاعلات غير التبادلية (2) يمكن أن تحدث ليس فقط بين الناس، ولكن تقع أيضًا في عالم الطبيعة.
في الورقة البحثية التي نُشرت في 14 أبريل 2021 في مجلة نتشر (Nature) (انظر 3)، وصف فريق من باحثي جامعة شيكاغو كيف يمكن للأنظمة المكونة من العديد من الأجسام (الأشياء) التي لها تفاعلات غير تبادلية أن تتطور بطرق مدهشة. قد يكون هذا أساسًا للعديد من الظواهر التي نراها من حولنا، من الخلايا العصبية إلى أسراب الطيور والأنظمة الكمومية.
هناك حقل في الفيزياء يتعامل مع اكتشاف السلوك الجمعي الناتج عن تفاعل العديد من الأجسام مع بعضها. إذا كانت الأشياء تتمتع بالقدرة على التحرك وفقًا “لتوجهاتها / تفضيلاتها” الخاصة ، فهذه الأشياء يُشار إليها على أنها أدوات / وسائل نشطة (active agents). على سبيل المثال، تميل حشود الناس إلى أن تتحرك معًا، أو قد تفضل الطيور الاصطفاف في تشكيلات على شكل حرف V أثناء طيرانها.
لكن عندما أخذ الباحثون سيناريوهات مختلفة في الاعتبار وجدوا أنه إذا تضاربت التوجهات (التفضيلات) ، فقد تكوّن هذه التوجهات أحيانًا أشكالًا فريدة من الحركة.
قال ميشيل فروتشارت (Michel Fruchart). المؤلف المشارك في الدراسة والباحث ما بعد الدكتوراه: “تخيل طفلين جالسين معًا على طاولة في حديقة لتناول الغداء”. “أحد الطفلين يريد الجلوس بالقرب من الآخر. لكن الطفل الآخر يريد أن يجلس بعيدًا عن الأول قدر الإمكان. بمجرد اقتراب الطفل الأول، يتحرك الطفل الثاني مبتعدًا عنه، وينتهي بهما الأمر بالطواف حول الطاولة باستمرار”.
عندما تُوضع العديد من الوسائل (agents) المتضاربة معًا، فإن هذا يخلق حركة جمعية ثابتة، ناتجة عن “الإحباط” في ميولها / توجهاتها المتضاربة. “إنه أمر غير معتاد لأنه لا يوجد عزم دوران خارجي” ، كما قال البروفسور فينتشنزو ڤيتيلي (Vincenzo Vitelli) وهو مؤلف مشارك في الدراسة.
“الدوران يأتي ببساطة من كيف تتفاعل الأدوات (الوسائل) agents“
نتيجة لذلك التفاعل، ينتج الدوران تلقائيًا: الأدوات / الوسائل (كالروبوتات في الصورة أدناه) أن تبدأ في الدوران إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة، اعتمادًا على حالاتها الأولية.
استكشف فريق الدراسة هذه السلوكيات بتغيير مدى توافق هذه الأدوات أو اختلافها مع بعضها البعض. لقد لاحظوا أن اللحظة التي تنشأ فيها الحركة التلقائية تعادل انتقال حالة المادة (phase transition) – مثل لحظة تغير الماء من حالة سائلة إلى حالة صلبة (ثلج). “لكنه نوع خاص من انتقال الحالة، يتميز بما يعرف في الرياضيات بنقطة استثنائية (النقطة التي تقع على تقاطع مستويين / سطحين أو أكثر، بحسب 4 )، كما قال فروشارت.
كان هذا مثيرًا لاهتمام الباحثين لأنه يمثل مشكلة جديدة في فهم سلوك الأنظمة التي فيها العديد من الأجسام (الأشياء) المتفاعلة، وهو مجال يسمى فيزياء الأجسام المتعددة (5).
“علاوة على ذلك، ما هو مثير للاهتمام في الأمر هو أنها نظرية عامة”. كما قال البروفسور بيتر ليتلوود، المؤلف المشارك في الدراسة: “اتضح أن انتقال الحالة هذا له بعض الخصائص الشاملة التي تظهر في العديد من الأنظمة التي يبدو أنها ليست ذات صلة”.
“لقد كانت لحظة مثيرة للغاية، أن ندرك أن المفهوم الذي كنا نسعى إليه كان أكثر عمومية – ويظهر على نطاق واسع في الطبيعة” ، كما قال الباحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف المشارك للدراسة ريو هاناي (Ryo Hanai).
صادف هاناي وليتلوود (Littlewood) مفهوم النقاط الاستثنائية (4) أثناء محاولتهما فهم سلوك نوع من المادة الكمومية التي يمكن أن تكسب أو تفقد الطاقة. كان لديهما فكرة أنه يمكنهما تفسير ذلك بدون استخدام لغة ميكانيكا الكم. “كنا نشك في أن المفهوم نفسه كان أكثر شمولية”. “لحسن الحظ، تعد جامعة شيكاغو مكانًا يمكنك أن تتحدث إلى أحد الخبراء الرائدين في المادة النشطة [المتكونة من عدة وسائل / عوامل حيث كل منها يحتاج استهلاك طاقة حتى تتمكن من الانتقال / الحركة أو أن تمارس قوة ميكانكية، بحسب 6] وأنت تمشي في الردهة كما قال هاناي – وهذا ما فعلناه”.
ڤيتيللي وفروتشارت يدرسان النقاط الاستثنائية (4) في سياق مختلف تمامًا – في حقل يسمى بحقل المادة النشطة (انظر أعلاه) ، والذي يبحث في سلوك الأجسام التي لها مصادر داخلية للطاقة، مثل سرب الطيور أو الأنسجة العضلية. تعاون الفيزيائيون الأربعة لاستكشاف أوجه التشابه الرياضية المحيرة بين هذه الموضوعات التي تبدو متباينة.
“قد تعتقد أن فيزياء الأنظمة التي يمكن أن تكسب أو تفقد طاقة وأن فيزياء الأنظمة غير التبادلية ستكون متميزة”. “ولكن عندما تمعنا فيها، وجدنا أن التمييز بينها كان غير واضح، بحيث لا يمكنك التفكير في أحدها دون التفكير في الآخر. عندما تتمكن من طمس هذا التمييز بينها، سيكون لدينا فجأة الكثير من الطرق الجديدة لمعالجة مشكلة ما”.
نظرًا لأن أنظمة التفاعلات غير التبادلية منتشرة في الطبيعة على نطاق واسع، يأمل الباحثون أن تكون نتائجهم مفيدة في مجالات تتجاوز الفيزياء.
على سبيل المثال، هناك فئتان عريضتان من الخلايا العصبية في الدماغ: خلايا عصبية استثارية (excitatory neurons)، تزيد من نشاط الخلايا العصبية الأخرى، والخلايا العصبية المثبطة (inhibitory neurons) تخفض من نشاط الخلايا العصبية الأخرى. قال ليتلوود: “هذا نظام من النوع غير التبادلي إلى حد كبير”. “نحن بصدد فتح باب التعاون مع باحثي أعصاب في جامعة شيكاغو لمحاولة معرفة ما إذا كان التأمل في هذه مفيدًا”.
مصادر من داخل وخارج النص:
1- “الإحباط في علم النفس هو استجابة عاطفية شائعة للمعارضة المرتبطة بالغضب والانزعاج وخيبة الأمل، وينشأ من المقاومة المتصورة لتحقيق إرادة الفرد أو هدفه. ومن المرجح أن يزيد الإحباط حينما يحول المرء دُونَ تحقيقِ أحد الأهداف. فالإحباط هو الحيلولة دُونَ تحقيقِ المرءِ رغبةً مِن رغَباتِه أكان لهذه الرغبة ما يبررها أم لا ، مقتبس من نص ورد علي هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/إحباط_نفسي
2- “التفاعلات غير التبادلية هي تفاعل من جسم، لا يقابله نفس التفاعل من الجسم الآخر”. مترجم من نص ورد على هذا العنوان:
https://study.com/academy/lesson/reciprocal-interaction-definition-model-quiz.html
-3 https://www.nature.com/articles/s41586-021-03375-9
4- https://www.sciencedirect.com/topics/mathematics/exceptional-point
5– تعد نظرية تعدد الأجسام (أو فيزياء الأجسام المتعددة) مجالًا من مجالات الفيزياء يوفر إطارًا لفهم السلوك الجماعي لأعداد كبيرة من الجسيمات المتفاعلة، غالبًا بترتيب عدد أفوجادرو. بشكل عام، تتعامل نظرية تعدد الأجسام مع التأثيرات التي تظهر فقط في الأنظمة التي تحتوي على أعداد كبيرة من المكونات. في حين أن القوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم حركة كل جسيم على حدة قد تكون (أو لا تكون) بسيطة، إلا أن دراسة مجموعة الجسيمات يمكن أن تكون معقدة للغاية. في بعض الحالات، قد تظهر ظواهر لا تشبه كثيرًا القوانين الأولية الأساسية. تلعب نظرية تعدد الأجسام دورًا مركزيًا في فيزياء المادة المكثفة”، مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/نظرية_تعدد_الأجسام
6- https://en.wikipedia.org/wiki/Active_matter
المصدر:
