Σύνοψη
- Φυσικοί από το Tokyo University of Science επέτυχαν την προσωρινή αναστολή της ισχύος του Τρίτου Νόμου του Νεύτωνα, εφαρμόζοντας καινοτόμες μεθόδους σε ένα κλειστό σύστημα 10.000 μικροσκοπικών σωματιδίων.
- Το πρωτοφανές φαινόμενο παρατηρήθηκε κατόπιν της εφαρμογής ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου σε υδατικά κολλοειδή διαλύματα τα οποία περιείχαν αυστηρά επιλεγμένα σωματίδια διαφορετικών μεγεθών.
- Η στοχευμένη διαφορά στο μέγεθος των μικροσκοπικών στοιχείων προκάλεσε την εμφάνιση μη αμοιβαίων δυνάμεων και ηλεκτρικών ροών, επιτρέποντας στα σωματίδια να λειτουργήσουν ως αυτόνομες αυτοπροωθούμενες μονάδες που διαρκώς σχηματίζουν και διασπούν πολύπλοκα συμπλέγματα.
- Η επιτυχής και ελεγχόμενη καταστρατήγηση της συμμετρίας δράσης-αντίδρασης αναμένεται να αποτελέσει το θεμελιώδες επιστημονικό υπόβαθρο για την ανάπτυξη νέων προγραμματιζόμενων υλικών και προηγμένων μικρορομποτικών συστημάτων επόμενης γενιάς.
Οι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής έχουν λειτουργήσει επί αιώνες ως το αδιαμφισβήτητο και απόλυτο θεωρητικό πλαίσιο πάνω στο οποίο στηρίχθηκε η σύγχρονη επιστημονική σκέψη, ορίζοντας τα όρια του τι είναι τεχνολογικά και φυσικά εφικτό.
Ο Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα, ειδικότερα, διατυπώνει με απόλυτη σαφήνεια ότι για κάθε δράση υπάρχει πάντα μια ίση και αντίθετη αντίδραση, εγκαθιδρύοντας έτσι μια αναπόδραστη συμμετρία στον τρόπο με τον οποίο τα φυσικά σώματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στον τρισδιάστατο χώρο. Αυτή ακριβώς η συμμετρία των αμοιβαίων δυνάμεων αποτελεί τον λόγο για τον οποίο, υπό κανονικές συνθήκες, κανένα παθητικό αντικείμενο δεν μπορεί να δημιουργήσει από μόνο του την απαραίτητη ώθηση για να κινηθεί αυθόρμητα, καθώς οι δυνάμεις που ασκούνται εντός ενός κλειστού συστήματος αλληλοαναιρούνται αποτρέποντας την αυτόνομη κίνηση. Ωστόσο, η συνεχής πρόοδος στον τομέα της εφαρμοσμένης μικρομηχανικής και της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης επιτρέπει πλέον στους ερευνητές να σχεδιάζουν εξαιρετικά ελεγχόμενα μικροπεριβάλλοντα, εντός των οποίων η συμπεριφορά της ύλης αποκλίνει εντυπωσιακά από τους παραδοσιακούς κανόνες της κλασικής μηχανικής.
Μέσα από μια πρόσφατη δημοσίευση στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, μια ερευνητική ομάδα από το Tokyo University of Science της Ιαπωνίας παρουσίασε ένα πείραμα που προκαλεί τα θεμέλια της παραδοσιακής δυναμικής, αναφέροντας τη δημιουργία ενός τεχνητού συστήματος 10.000 σωματιδίων το οποίο κατάφερε να αψηφήσει τον Τρίτο Νόμο του Νεύτωνα για περισσότερο από μία ολόκληρη ώρα.
Η ερευνητική ομάδα πέτυχε αυτό το εντυπωσιακό αποτέλεσμα τοποθετώντας χιλιάδες μικροσκοπικά κολλοειδή σωματίδια μέσα σε ένα ειδικά διαμορφωμένο υδατικό περιβάλλον, το οποίο στη συνέχεια περιορίστηκε ανάμεσα σε κατασκευασμένα ηλεκτρόδια υψηλής ακρίβειας. Προκειμένου να παρακάμψουν την αρχή της συμμετρίας, οι φυσικοί δεν περιορίστηκαν στη χρήση ομοιόμορφων στοιχείων αλλά επέλεξαν συνειδητά να αναμείξουν σωματίδια διαφορετικών μεγεθών, εκθέτοντάς τα ακολούθως στην επίδραση ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου που τροποποίησε ριζικά τον τρόπο με τον οποίο αυτά αλληλεπιδρούσαν.
Η καινοτομία του συγκεκριμένου πειράματος έγκειται ακριβώς στην ασυμμετρία που εισήχθη στο σύστημα μέσω της χρήσης ετερογενών μεγεθών, η οποία αποδείχθηκε καθοριστική για την εξέλιξη του φαινομένου. Κατά τη διάρκεια της έκθεσης στο εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, τα μεγαλύτερα σε μέγεθος σωματίδια ανέπτυξαν μια αισθητά ισχυρότερη ηλεκτρική ροή στον περιβάλλοντα υγρό χώρο, γεγονός που τους επέτρεψε να έλκουν τα μικρότερα σωματίδια με τρόπο εντελώς δυσαναλογικό. Αυτή η μη αμοιβαία αλληλεπίδραση εισήγαγε μια δομική ανισορροπία στο σύστημα, μετατρέποντας τα μέχρι πρότινος παθητικά στοιχεία σε ενεργές, αυτοπροωθούμενες μονάδες που άρχισαν να σχηματίζουν ζευγάρια και να «κυνηγούν» το ένα το άλλο μέσα στο υγρό μέσο, αναιρώντας στην πράξη την ισχύ της ίσης και αντίθετης αντίδρασης που επιβάλλει η κλασική μηχανική. Ουσιαστικά, η κινητική ενέργεια του συστήματος δεν προήλθε από κάποια εξωτερική μηχανική ώθηση, αλλά από την ίδια την αρχιτεκτονική της ανισορροπίας που δημιουργήθηκε μέσω του ηλεκτρικού ρεύματος και της διαφοράς κλίμακας μεταξύ των συμμετεχόντων στοιχείων.
Για να επιβεβαιώσουν την κρισιμότητα αυτής της ασυμμετρίας, οι ερευνητές εκτέλεσαν ένα συγκριτικό πείραμα ελέγχου διατηρώντας ακριβώς τις ίδιες συνθήκες εναλλασσόμενου ρεύματος και υδατικού περιβάλλοντος, χρησιμοποιώντας όμως αυτή τη φορά ένα διάλυμα που περιείχε αποκλειστικά σωματίδια του ίδιου ακριβώς μεγέθους. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν πλήρως την αρχική τους υπόθεση, καθώς στο ομοιόμορφο σύστημα τα σωματίδια ακολούθησαν απολύτως προβλέψιμη συμπεριφορά, αναπτύσσοντας αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις οι οποίες τα οδήγησαν σταδιακά στο να οργανωθούν σε έναν σταθερό κρυσταλλικό σχηματισμό. Αντιθέτως, στο σύστημα των ετερογενών μεγεθών, ο σχηματισμός μόνιμων συμπλεγμάτων αποδείχθηκε αδύνατος, με τα σωματίδια να εμφανίζουν μια αδιάκοπη, δυναμική κινητικότητα όπου ομάδες δημιουργούνταν και στη συνέχεια διασπώνταν με εντυπωσιακή συχνότητα και ρυθμικότητα, διατηρώντας αυτή τη μη ισορροπημένη κατάσταση για ένα εξαιρετικά παρατεταμένο χρονικό διάστημα.
Η κατανόηση της κατάρριψης της συμμετρίας δράσης-αντίδρασης μέσω αυτού του φυσικού μοντέλου υπερβαίνει κατά πολύ τα όρια της θεωρητικής περιέργειας, προσφέροντας πολύτιμες γνώσεις για τη λειτουργία ορισμένων από τα πιο πολύπλοκα συστήματα που συναντώνται στον φυσικό κόσμο. Οι επιστήμονες που υπογράφουν τη μελέτη επισημαίνουν ότι παρόμοιοι μηχανισμοί μη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων ενδέχεται να διέπουν τη συμπεριφορά πολλών βιολογικών συστημάτων στα οποία παρατηρείται συλλογική κίνηση, από την κυτταρική διαίρεση και την οργάνωση των αποικιών των βακτηρίων μέχρι τη συντονισμένη κίνηση των κοπαδιών των πτηνών και των σχηματισμών των ψαριών. Η θεωρία της λεγόμενης «ενεργής ύλης» εξηγεί πώς μεμονωμένες βιολογικές οντότητες καταναλώνουν ενέργεια από το περιβάλλον τους για να παράγουν κίνηση, οδηγώντας σε πρότυπα αυτο-οργάνωσης τα οποία δεν υπακούουν στους απλοϊκούς κανόνες της θερμοδυναμικής ισορροπίας και της συμμετρικής αλληλεπίδρασης.
Εξετάζοντας τις μελλοντικές προεκτάσεις αυτής της εντυπωσιακής ανακάλυψης, οι πρακτικές εφαρμογές στον τομέα της εφαρμοσμένης μηχανικής και της επιστήμης των υλικών διαγράφονται εξαιρετικά υποσχόμενες για τις επόμενες δεκαετίες. Ο πλήρης έλεγχος των μη αμοιβαίων δυνάμεων σε μικροσκοπικό επίπεδο παρέχει το θεωρητικό οπλοστάσιο για την ανάπτυξη αυτού που η σύγχρονη έρευνα ονομάζει «προγραμματιζόμενα υλικά», δηλαδή δομές οι οποίες θα μπορούν να μεταβάλλουν τις φυσικές τους ιδιότητες, να αλλάζουν σχήμα ή να αυτοεπιδιορθώνονται αντιδρώντας επιλεκτικά σε εξωτερικά ερεθίσματα όπως ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.
Ακόμη, ο τομέας της ιατρικής μικρορομποτικής αναμένεται να ωφεληθεί άμεσα από τέτοιες έρευνες, καθώς τα αυτοπροωθούμενα μικρορομπότ θα μπορούσαν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να εκμεταλλεύονται την ασυμμετρία των υγρών του ανθρώπινου σώματος, μεταφέροντας φαρμακευτικές ουσίες σε συγκεκριμένα όργανα με πρωτοφανή ακρίβεια και ελάχιστη ενεργειακή κατανάλωση.
