Quando due persone vogliono cose diverse, la frustrazione è inevitabile. Ma queste interazioni non reciproche possono verificarsi anche non solo tra persone, ma nel mondo naturale.

In un articolo pubblicato il 14 aprile sulla rivista Natura , un team di scienziati dell'Università di Chicago ha descritto come i sistemi composti da molti oggetti che hanno tali interazioni non reciproche possano evolversi in modi sorprendenti. Questo può essere alla base di molti fenomeni che vediamo intorno a noi, dai neuroni agli stormi di uccelli e ai sistemi quantistici.

C'è un campo della fisica che si occupa di capire il comportamento collettivo che risulta dall'interazione di molti oggetti. Se gli oggetti hanno la capacità di muoversi secondo le proprie "preferenze, " sono indicati come agenti attivi. Ad esempio, gli umani in mezzo alla folla tendono a muoversi insieme, o gli uccelli potrebbero preferire allinearsi in formazioni a V durante il volo.

Ma poiché consideravano scenari diversi, i ricercatori hanno scoperto che se le preferenze competono, a volte possono creare forme di movimento uniche.

"Immagina due bambini che devono sedersi insieme a un tavolo in giardino per il pranzo, " ha detto il coautore dello studio e ricercatore post-dottorato Michel Fruchart. "Un bambino vuole sedersi vicino all'altro. Ma l'altro bambino vuole sedersi il più lontano possibile dal primo. Non appena il primo bambino si avvicina, il secondo figlio si allontana, e finiscono per girare costantemente intorno al tavolo."

Quando molti agenti in disaccordo vengono messi insieme, questo crea un movimento collettivo costante, generato dalla "frustrazione" nelle loro tendenze concorrenti. "È insolito perché non c'è coppia esterna, " ha detto il Prof. Vincenzo Vitelli, un coautore dello studio. "La rotazione deriva semplicemente dal modo in cui gli agenti interagiscono".

Come conseguenza, si crea spontaneamente una rotazione:gli agenti (come i robot nel film) possono iniziare a ruotare sia in senso orario che antiorario, seconda delle loro condizioni iniziali.

Il team ha esplorato i comportamenti modificando quanto gli agenti sono d'accordo o in disaccordo tra loro. Hanno notato che il momento in cui si crea il movimento spontaneo è equivalente a una transizione di fase, come il momento in cui l'acqua cambia da liquida a ghiaccio. "Ma è un tipo speciale di transizione di fase, segnato da ciò che è noto in matematica come un punto eccezionale, ", ha detto Fruchart.

Questo è stato eccitante per gli scienziati perché è una nuova ruga nella comprensione del comportamento dei sistemi con molti oggetti interagenti, un campo chiamato fisica a molti corpi.

"Per di più, la cosa interessante è che è una teoria generale, ", ha detto il coautore dello studio, il prof. Peter Littlewood. "Si scopre che questa transizione ha alcune caratteristiche universali che appaiono in molti sistemi apparentemente non correlati".

"È stato un momento molto emozionante, per realizzare il concetto che stavamo inseguendo era più generale, che appare ampiamente in natura, ", ha affermato il ricercatore post-dottorato e coautore dello studio Ryo Hanai.

Hanai e Littlewood si sono imbattuti nel concetto di punti eccezionali mentre cercavano di comprendere il comportamento di un tipo di materia quantistica che può guadagnare o perdere energia. Avevano la sensazione di poterlo spiegare senza il linguaggio della meccanica quantistica. "Sospettavamo che il concetto stesso fosse molto più ampio, " disse Hanai. "Per fortuna, l'Università di Chicago è un posto dove puoi camminare lungo il corridoio e parlare con uno dei massimi esperti in materia attiva, ed è quello che abbiamo fatto."

In fondo al corridoio, Vitelli e Fruchart stavano studiando punti eccezionali in un contesto completamente diverso, in un campo chiamato materia attiva, che indaga il comportamento di oggetti con sorgenti interne di energia, come stormi di uccelli o tessuto muscolare. I quattro fisici si sono uniti per esplorare le sconcertanti somiglianze matematiche tra questi soggetti apparentemente disparati.

"Si potrebbe pensare che la fisica dei sistemi che possono guadagnare o perdere energia e quella dei sistemi non reciproci sia distinta, " disse Vitelli. "Ma quando l'abbiamo guardato, abbiamo scoperto che la distinzione era sfocata, in modo che tu non possa pensare all'uno senza l'altro. Quando puoi offuscare quella distinzione, improvvisamente hai molti nuovi modi per attaccare un problema."

Poiché i sistemi non reciproci sono diffusi in natura, i ricercatori sperano che i loro risultati possano essere utili in campi al di là della fisica.

Per esempio, Esistono due grandi categorie di neuroni nel cervello:neuroni eccitatori, che aumentano l'attività di altri neuroni, e neuroni inibitori, che lo diminuiscono. "Questo è molto un sistema non reciproco, " ha detto Littlewood. "Stiamo aprendo collaborazioni con neuroscienziati a UChicago per provare a vedere se l'applicazione di questa lente del pensiero è utile".