Quando duas pessoas querem coisas diferentes, a frustração é inevitável. Mas essas interações não recíprocas também podem ocorrer não apenas entre as pessoas, mas no mundo natural.

Em um artigo publicado em 14 de abril na revista Natureza , uma equipe de cientistas da Universidade de Chicago descreveu como os sistemas compostos de muitos objetos que têm essas interações não recíprocas podem evoluir de maneiras surpreendentes. Isso pode estar subjacente a muitos fenômenos que vemos ao nosso redor, de neurônios a bandos de pássaros e sistemas quânticos.

Existe um campo da física que trata de descobrir o comportamento coletivo que resulta da interação de muitos objetos. Se os objetos têm a capacidade de se mover de acordo com suas próprias "preferências, "eles são chamados de agentes ativos. Por exemplo, humanos em multidões tendem a se mover juntos, ou os pássaros podem preferir se alinhar em formações em V durante o vôo.

Mas como eles consideraram diferentes cenários, os pesquisadores descobriram que, se as preferências competirem, às vezes, eles podem criar formas únicas de movimento.

"Imagine duas crianças que têm que se sentar juntas a uma mesa em um jardim para almoçar, "disse o co-autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado Michel Fruchart." Uma criança quer sentar perto da outra. Mas a outra criança quer sentar-se o mais longe possível da primeira. Assim que a primeira criança chegar mais perto, a segunda criança se afasta, e eles acabam circulando a mesa constantemente. "

Quando muitos agentes discordantes são colocados juntos, isso cria um movimento coletivo constante, gerado pela "frustração" em suas tendências concorrentes. "É incomum porque não há torque externo, "disse o Prof. Vincenzo Vitelli, um co-autor do estudo. "A rotação simplesmente vem de como os agentes interagem."

Como consequência, uma rotação é criada espontaneamente:os agentes (como os robôs do filme) podem começar a girar no sentido horário ou anti-horário, dependendo de suas condições iniciais.

A equipe explorou os comportamentos mudando o quanto os agentes concordam ou discordam uns dos outros. Eles notaram que o momento em que o movimento espontâneo é criado é equivalente a uma transição de fase - como o momento em que a água muda de líquido para gelo. "Mas é um tipo especial de transição de fase, marcado pelo que é conhecido na matemática como um ponto excepcional, "disse Fruchart.

Isso foi empolgante para os cientistas porque é uma nova ruga na compreensão do comportamento de sistemas com muitos objetos em interação, um campo denominado física de muitos corpos.

"Além disso, o que é interessante nisso é que é uma teoria geral, "disse o co-autor do estudo, Prof. Peter Littlewood." Acontece que essa transição tem algumas características universais que aparecem em muitos sistemas aparentemente não relacionados. "

"Foi um momento muito emocionante, perceber que o conceito que buscávamos era mais geral - que aparece amplamente na natureza, "disse o pesquisador de pós-doutorado e co-autor do estudo Ryo Hanai.

Hanai e Littlewood encontraram o conceito de pontos excepcionais enquanto tentavam entender o comportamento de um tipo de matéria quântica que pode ganhar ou perder energia. Eles tinham a impressão de que poderiam explicá-lo sem a linguagem da mecânica quântica. “Suspeitamos que o próprio conceito era muito mais amplo, "disse Hanai." Felizmente, a Universidade de Chicago é um lugar onde você pode caminhar pelo corredor e conversar com um dos maiores especialistas em matéria ativa - e foi isso que fizemos. "

No final do corredor, Vitelli e Fruchart estavam estudando pontos excepcionais em um contexto completamente diferente - em um campo chamado matéria ativa, que investiga o comportamento de objetos com fontes internas de energia, como bando de pássaros ou tecido muscular. Os quatro físicos se uniram para explorar as enigmáticas semelhanças matemáticas entre esses assuntos aparentemente díspares.

"Você pensaria que a física dos sistemas que podem ganhar ou perder energia e a dos sistemas não recíprocos seria distinta, "disse Vitelli." Mas quando olhamos para ele, descobrimos que a distinção estava confusa, de modo que você não poderia pensar em um sem o outro. Quando você pode obscurecer essa distinção, de repente, você tem uma série de novas maneiras de atacar um problema. "

Como os sistemas não recíprocos são amplamente difundidos na natureza, os pesquisadores esperam que seus resultados possam ser úteis em campos além da física.

Por exemplo, existem duas grandes categorias de neurônios no cérebro:neurônios excitatórios, que aumentam a atividade de outros neurônios, e neurônios inibitórios, que o diminuem. "Este é um sistema não recíproco, "Littlewood disse." Estamos abrindo colaborações com neurocientistas da UChicago para tentar ver se aplicar essa lente de pensamento sobre isso é útil. "