Rândurile păsărilor se potrivesc cu matematica materiei cuantice

Graurii par să nu aibă nimic în comun cu materia cuantică. Dar ecuațiile care explică o parte din dinamica cuantică a heliului superfluid pot descrie ce se întâmplă atunci când un stol de grauri face o întoarcere bruscă.

Sute sau mii de grauri se pot aduna și par să se miște prin cer ca un singur organism, schimbând direcțiile ca și cum ar fi o singură minte. „Momentul în care decizia de a se întoarce trece prin turmă este un moment de slăbiciune în grup”, spune fizicianul Andrea Cavagna de la Universitatea Sapienza din Roma. El explică că în timpul întoarcerii graurilor, prădătorii, cum ar fi șoimii peregrini, pot lovi, deoarece turma nu zboară la fel de coeziv posibil.

Deoarece rămânerea împreună în timpul virajului este atât de importantă, Cavagna și colegii săi s-au întrebat cum se răspândesc informațiile despre direcția și când să se întoarcă prin turmă. Simulările anterioare pe computer au sugerat că comportamentul fiecărei păsări se schimbă pentru a se potrivi cu cel al vecinului său într-un mod care seamănă cu jocul de la telefon: tacul de întoarcere difuzează de la o pasăre la alta, dar poate dispărea pe măsură ce ajunge la păsările exterioare dintr-un stol.

Dar când Cavagna și colegii săi au filmat 12 stoluri, fiecare cu până la 500 de grauri și au urmărit traiectoria tridimensională a fiecărei păsări, filmările au sugerat ceva diferit. Păsările se transformă ca un grup aproape coeziv, aproape ca niște înotători sincronizați. Decizia de a se întoarce începe cu câteva păsări și apoi călătorește prin stol cu ​​o viteză fixă, răspândindu-se peste 400 de păsări în puțin mai mult de jumătate de secundă, raportează Cavagna și colegii săi pe 27 iulie în Fizica naturii. Este prea rapid pentru ca scenariul de difuzie să funcționeze.

Aceasta este „o observație experimentală cu adevărat extraordinară”, spune fizicianul William Bialek de la Universitatea Princeton, care nu a fost implicat în studiu. O altă problemă cu difuzia, spune el, este că presupune că, dacă o pasăre s-a trezit brusc înconjurată de vecini care zboară în direcția opusă, pasărea rătăcită și-ar putea inversa direcția aproape instantaneu. Pare greșit, spune el. Pasărea ar trebui să aibă o anumită inerție sau rezistență pentru a-și schimba direcția.

Cavagna și colegii săi țin cont de inerție în propria lor descriere matematică a turmelor. Ei ajung la concluzia că variațiile în modul în care păsările se orientează între ele sunt indicii care trec printr-un stol care se întoarce. Aceste variații trebuie menținute în întregul stol pentru ca păsările să zboare coeziv, motiv pentru care tacul de schimbare a direcției se mișcă într-o perioadă fixă ​​de timp de la pasăre la pasăre. Dacă apare o nealiniere între păsări undeva în stol, îndoirea nu poate fi rezolvată între câteva păsări. În schimb, alinierea greșită trebuie să traverseze întregul turmă, iar grupul își schimbă direcția în mod colectiv.

Ecuațiile care explică acest comportament se potrivesc cu matematica folosită pentru a descrie o parte din dinamica cuantică a heliului superfluid. Un superfluid acționează ca un fluid, dar poate curge liber, fără rezistență. În această stare, toate particulele se orientează în același mod, ca și cum ar fi ceasuri cu mâinile îndreptate către aceeași oră. Asemănările dintre modul în care păsările și particulele cuantice se orientează duc la o structură matematică identică în două sisteme foarte diferite, scriu Cavagna și colegii săi.

Nu toată lumea este convinsă. Fizicianul John Toner de la Universitatea din Oregon din Eugene susține că noua descriere matematică nu este necesară pentru a înțelege comportamentul păsărilor. El sugerează, de asemenea, că, chiar dacă noile ecuații rezistă, s-ar putea să nu se aplice tuturor efectivelor de păsări, în special celor extrem de mari, cum ar fi stolurile de flamingo din Africa și India, care au fiecare sute de mii de păsări.