Científicos explican el vuelo en bandadas de aves que desafía a Newton

Las bandadas de aves presentan un fenómeno intrigante: aunque pueden ver gran parte de su entorno, al volar en grupo solo prestan atención a las aves que están a su lado o delante, ignorando a las que se encuentran detrás. Este comportamiento parece contradecir la tercera ley de Newton, que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Este principio, que ha sido fundamental en la física clásica durante más de 300 años, se manifiesta en situaciones cotidianas. Por ejemplo, cuando una persona corre, sus pies empujan el suelo y este, a su vez, ejerce una fuerza igual en dirección opuesta. Sin embargo, en sistemas como bandadas de aves, enjambres de bacterias y multitudes, los componentes individuales responden solo a una parte de su entorno, lo que resulta en interacciones unidireccionales.

Los físicos denominan a estas interacciones como no recíprocas. Las teorías tradicionales se han centrado en interacciones recíprocas, donde acción y reacción son iguales, lo que ha dificultado la simulación precisa de sistemas no recíprocos. Estas simulaciones son esenciales para comprender procesos biológicos, comportamientos de multitudes y el movimiento colectivo de animales.

Un equipo de investigadores en Dresden, liderado por el físico Roderich Moessner, ha desarrollado una solución a este problema. Moessner es investigador principal del Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ctd.qmat y director del Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems.

Una nueva forma de modelar sistemas no recíprocos

El equipo de investigación ha formulado una teoría que permite aplicar gran parte de lo que se enseña en mecánica teórica a sistemas no recíprocos. Ahora, estos sistemas pueden ser descritos y simulados con precisión, incluso utilizando métodos establecidos. Marín Bukov, líder del grupo de investigación, destacó: "Este tipo de herramienta ha estado ausente en los últimos años".

La clave de su enfoque radica en la introducción de variables artificiales adicionales. En lugar de describir los sistemas naturales con variables matemáticas que corresponden a propiedades reales, como la posición y velocidad de un ave, el nuevo modelo construye un "socio" ficticio para cada componente del sistema, que no existe en la naturaleza.

El investigador Ricard Alert, biólogo físico, explicó: "Las interacciones no recíprocas originales se reemplazan por interacciones recíprocas con estos grados de libertad auxiliares".

El caso del ave imaginaria

Para simular con precisión el movimiento de las aves, el sistema dinámico de la "bandada de aves" se describe utilizando métodos establecidos, como si fuera un sistema recíproco. La solución elegante es colocar artificialmente un ave ficticia frente a cada ave real, alineada en la dirección opuesta.

Estos socios imaginarios no representan aves reales, sino herramientas matemáticas que permiten a los investigadores transformar interacciones unidireccionales en una forma que puede ser analizada con métodos existentes.

Nuevas posibilidades para la investigación en física

Si bien el uso de grados de libertad auxiliares no es un concepto nuevo en física, lo innovador es cómo se aplican ahora a sistemas con interacciones no recíprocas. Este enfoque permite a los científicos aprovechar el marco bien establecido de la física de muchos cuerpos, produciendo simulaciones más precisas de sistemas complejos y proporcionando una comprensión más profunda de la física subyacente.

La investigación sobre materia cuántica en Würzburg y Dresden se centra en partículas que interactúan bajo ciertas condiciones, dando lugar a fenómenos nuevos como el magnetismo. La pregunta emocionante es si estas excepciones a la ley de Newton conducirán a nuevas formas de comportamiento cuántico colectivo.

Los hallazgos del equipo fueron publicados en la revista Nature Physics.

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