Иллюстрация нарушения третьего закона Ньютона. Описанное Мюнхаузеном событие было не результатом действия коллективной системы, поэтому к эксперименту ученых отношения не имеет. Источник: «Приключения Мюнхаузена», мультипликационный фильм.
Российские ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН совместно с американскими коллегами экспериментально получили и детально исследовали систему взаимодействующих частиц, для которых формально не выполняется третий закон Ньютона. Научная статья «Экспериментальное исследование несимметричных взаимодействий между микрочастицами в анизотропной плазме» была опубликована в журнале Scientific Reports.
«Третий закон Ньютона, который все помнят из школьной программы, утверждает, что сила действия равняется силе противодействия. Однако для некоторых открытых и неравновесных дисперсных систем — частиц в среде — симметрия эффективной силы межчастичного взаимодействия может нарушаться, и возникает очень интересная физика: например, частицы самоорганизуются в сложные структуры, система аномально разогревается, появляются необычные неравновесные фазовые переходы», — комментирует Евгений Лисин, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН, старший научный сотрудник лаборатории активных сред и систем МФТИ .
Впервые такую систему с несимметричным взаимодействием частиц удалось получить в конце 90-х годов прошлого века в Германии: ученые рассматривали поведение пылевых частиц в газоразрядной плазме, воздействуя на них лазером по очереди, и обнаружили, что частицы откликаются по-разному в зависимости от их расположения в системе. С тех пор, как были опубликованы первые теории и модели несимметричного взаимодействия между микрочастицами в пылевой плазме, в теоретическом развитии этой темы было проведено множество исследований. Однако, несмотря на богатую теоретическую базу, одной из важных нерешенных проблем оставалось прямое экспериментальное исследование особенностей несимметричного взаимодействия между частицами. Точно измерить силу межчастичного взаимодействия и определить степень нарушения симметрии в зависимости от условий среды ранее не удавалось.
Решение этой проблемы стало возможным благодаря оригинальному спектральному методу измерения, который был разработан учеными МФТИ и ОИВТ РАН при поддержке Российского научного фонда. Метод учитывает случайные и диссипативные процессы в системе, не требует усложнения экспериментальной установки, предварительных измерений внешних полей и каких-либо предположений о типе изучаемого взаимодействия.
В ходе экспериментов в плазму газового электрического разряда помещались две твердые сферические частицы (пылинки) размером в несколько микрон. В разряде частицы приобретали значительный отрицательный заряд (в 10000 раз превышающий элементарный заряд электрона). В сильном электрическом поле разряда заряженные частицы могли левитировать, а для удержания одноименно заряженных частиц на близком расстоянии друг к другу ученые дополнительно использовали специальную потенциальную ловушку. Наличие сильного электрического поля приводило к формированию направленного потока ионов. Заряженные микрочастицы этот поток возмущали, образуя за собой ионный кильватерный след (наподобие следа от быстро идущего по воде корабля). Таким образом на микрочастицу, находящуюся в кильватерном следе второй частицы, действовала не только сила электростатического отталкивания от второй частицы, но и сила притяжения к её следу. В результате симметрия эффективного взаимодействия между микрочастицами в плазменной среде нарушалась. При этом даже небольшие изменения заряда одной частицы, вызванные ее тепловым движением в кильватерном поле другой частицы, приводили к значительному изменению наблюдаемого взаимодействия между частицами.
«Формальное невыполнение третьего закона Ньютона может возникать в системах взаимодействующих частиц, когда среда, в которой находятся частицы, является своеобразным переносчиком взаимодействия, и способна воспринять недостаток или избыток импульса, так как закон сохранения импульса нарушить нельзя. Кроме газоразрядной пылевой плазмы, примерами таких систем являются некоторые виды коллоидных суспензий и активной материи», — комментирует Михаил Васильев, ведущий научный сотрудник лаборатории активных сред и систем МФТИ.
Полученные результаты открывают новые перспективы исследования дисперсных систем с нарушенной симметрией межчастичного взаимодействия. Изучение таких систем — это сравнительно новое направление исследований, которое стало активно развиваться последние несколько лет. Хотя детали несимметричного взаимодействия частиц удобнее изучать на примере плазменно-пылевых систем из-за относительной малости действующих в них диссипативных сил, практического применения можно ожидать скорее в области активных коллоидов, которые интенсивно изучаются разными научными группами по всему миру.
Коллективное поведение частиц в синтетических активных коллоидах имеет общие закономерности с поведением колоний бактерий, косяков рыб, стай птиц и т. д. Коллоидное активное вещество привлекает значительное внимание со стороны материаловедения в контексте разработки новых материалов с «программируемым» откликом на механические напряжения, магнитные и тепловые поля. Появляются также перспективные приложения, связанные с сепарацией вещества, коллективной адресной доставкой микрогруза (например, лекарств) и преобразованием механической энергии хаотического движения.
1
