Was geht in der Physik? Ein Team Dresdner Wissenschaftler um Roderich Moessner hat in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics spannende Erkenntnisse veröffentlicht. Ihre Forschung erweitert das klassischen 3. Newtonsche Gesetz – actio = reactio – um eine neue Dimension. Dies ist besonders relevant für viele kollektive Systeme in der Natur, wie Vogelschwärme und Bakterien, wo sich die Elemente nicht immer reziprok verhalten. Stattdessen orientieren sich die Vögel beim Fliegen meist nur an den Individuen vor oder neben sich, während die hinter ihnen nicht berücksichtigt werden. Diese nicht-reziproken Wechselwirkungen stehen im Widerspruch zu den etablierten physikalischen Gesetzen, die für den Großteil unseres alltäglichen Lebens gelten, sei es beim Laufen oder Autofahren.
Um diese komplexen Interaktionen zu verstehen, hat das Dresdner Physikteam eine Theorie entwickelt, die es ermöglicht, nicht-reziproke Wechselwirkungen präziser zu simulieren. Durch die Einführung zusätzlicher künstlicher Variablen können die Wissenschaftler jede Einwirkung als eine reziproke Interaktion darstellen. So wird für jeden Bestandteil eines Systems ein künstlicher Partner konstruiert, der die Effekte nicht-reziproker Wechselwirkungen ausgleicht. Dies führt zu einer genaueren Simulation von Bewegungen in Systemen wie Vogelschwärmen und könnte bahnbrechende Einsichten in das Verhalten von Quantenmaterialien eröffnen.
Die Brücke zur biologischen Forschung
Diese neuartigen Ansätze finden auch Resonanz in der biologischen Forschung. Am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation hat ein Team um Ramin Golestanian ein Modell entwickelt, das biologischen Prozesse effektiver beschreibt. Dieses Modell verknüpft die Bewegungen von Raub- und Beutetieren mit der Entmischung von Öl und Essig. Hierbei wird die Cahn-Hilliard-Gleichung, ursprünglich für unbelebte Materie gedacht, um die nicht-reziproken Interaktionen lebender Systeme zu berücksichtigen, modifiziert. Partikel zweier Arten interagieren nicht-reziprok und erzeugen so Ordnung und Bewegung innerhalb des Systems.
Der Unterschied zwischen lebenden und unbelebten Materien zeigt sich in der aktiven Bewegung lebender Systeme. Ob Bakterien, Enzyme oder Mikroroboter – das neue Modell hilft dabei, universelle Merkmale aktiver Materie zu erfassen. Die Modifikationen an der Cahn-Hilliard-Gleichung erlauben es, Prozesse zu beschreiben, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts stattfinden. Computeranalysen haben ergeben, dass selbst minimale Nicht-Reziprozität signifikante Abweichungen vom Verhalten passiver Systeme hervorrufen kann, was die Entstehung von Wanderwellen und komplexen Gitterstrukturen umfasst.
Zukunftsperspektiven
Die gemeinsam an diesen Konzepten arbeitenden Physiker und Biologen stellen fest, dass die Forschung sowohl in der Physik als auch in der Biologie Fortschritte bringen könnte. Die Ansätze, die von der Abteilung „Physik lebender Materie“ des Max-Planck-Instituts vorangetrieben werden, untersuchen, wie sich große Ansammlungen von Enzymen verhalten und ob durch deren Interaktionen neue Eigenschaften entstehen. Das Zusammenspiel von Mensch und Natur wird durch diese innovativen Theorien möglicherweise in bisher ungeahnte Bahnen gelenkt.
Zusammenfassend laden die neuesten Forschungsergebnisse von Dresdner Physikern nicht nur zur theoretischen Reflexion ein, sondern könnten auch praktische Anwendungen in der Entwicklung neuartiger Materialien und Technologien nach sich ziehen. Da sind wir gespannt, was die Zukunft bringt!