Cuando dos personas quieren cosas diferentes, la frustración es inevitable. Pero estas interacciones no recíprocas también pueden ocurrir no solo entre personas, pero en el mundo natural.

En un artículo publicado el 14 de abril en la revista Naturaleza , un equipo de científicos de la Universidad de Chicago describió cómo los sistemas compuestos por muchos objetos que tienen interacciones no recíprocas pueden evolucionar de manera sorprendente. Esto puede ser la base de muchos fenómenos que vemos a nuestro alrededor, desde neuronas hasta bandadas de aves y sistemas cuánticos.

Existe un campo de la física que se ocupa de averiguar el comportamiento colectivo que resulta de la interacción de muchos objetos. Si los objetos tienen la capacidad de moverse según sus propias "preferencias, "se denominan agentes activos. Por ejemplo, los humanos en multitudes tienden a moverse juntos, o las aves pueden preferir alinearse en forma de V mientras vuelan.

Pero como consideraron diferentes escenarios, los investigadores encontraron que si las preferencias compiten, a veces pueden crear formas únicas de movimiento.

"Imagínese dos niños que tienen que sentarse juntos a una mesa en un jardín para almorzar, ", dijo el coautor del estudio e investigador postdoctoral Michel Fruchart." Un niño quiere sentarse cerca del otro. Pero el otro niño quiere sentarse lo más lejos posible del primero. Tan pronto como el primer niño se acerque, el segundo niño se aleja, y terminan dando vueltas por la mesa constantemente ".

Cuando se juntan muchos agentes en desacuerdo, esto crea un movimiento colectivo constante, generado por la "frustración" en sus tendencias competitivas. "Es inusual porque no hay torque externo, "dijo el profesor Vincenzo Vitelli, un coautor del estudio. "La rotación simplemente proviene de cómo interactúan los agentes".

Como consecuencia, una rotación se crea espontáneamente:los agentes (como los robots en la película) pueden comenzar a girar en sentido horario o antihorario, dependiendo de sus condiciones iniciales.

El equipo exploró los comportamientos cambiando cuánto están de acuerdo o en desacuerdo los agentes entre sí. Notaron que el momento en el que se crea el movimiento espontáneo es equivalente a una transición de fase, como el momento en que el agua cambia de líquido a hielo. "Pero es un tipo especial de transición de fase, marcado por lo que se conoce en matemáticas como un punto excepcional, "dijo Fruchart.

Esto fue emocionante para los científicos porque es una nueva forma de entender el comportamiento de los sistemas con muchos objetos que interactúan. un campo llamado física de muchos cuerpos.

"Es más, lo interesante de esto es que es una teoría general, ", dijo el coautor del estudio, el profesor Peter Littlewood." Resulta que esta transición tiene algunas características universales que aparecen en muchos sistemas aparentemente no relacionados ".

"Fue un momento muy emocionante, darnos cuenta de que el concepto que perseguíamos era más general:que aparece en la naturaleza, ", dijo el investigador postdoctoral y coautor del estudio Ryo Hanai.

Hanai y Littlewood encontraron el concepto de puntos excepcionales mientras intentaban comprender el comportamiento de un tipo de materia cuántica que puede ganar o perder energía. Tenían el indicio de que podrían explicarlo sin el lenguaje de la mecánica cuántica. "Sospechamos que el concepto en sí era mucho más amplio, "dijo Hanai." Afortunadamente, la Universidad de Chicago es un lugar donde puedes caminar por el pasillo y hablar con uno de los principales expertos en materia activa, y eso es lo que hicimos ".

Al final del pasillo, Vitelli y Fruchart estaban estudiando puntos excepcionales en un contexto completamente diferente, en un campo llamado materia activa, que investiga el comportamiento de objetos con fuentes internas de energía, como bandada de pájaros o tejido muscular. Los cuatro físicos se unieron para explorar las desconcertantes similitudes matemáticas entre estos temas aparentemente dispares.

"Uno pensaría que la física de los sistemas que pueden ganar o perder energía y la de los sistemas no recíprocos sería distinta, ", dijo Vitelli." Pero cuando lo miramos, encontramos que la distinción era borrosa, para que no pudieras pensar en uno sin el otro. Cuando puedas difuminar esa distinción, de repente tienes muchas formas nuevas de atacar un problema ".

Debido a que los sistemas no recíprocos son de naturaleza generalizada, los investigadores esperan que sus resultados puedan ser útiles en campos más allá de la física.

Por ejemplo, Hay dos categorías amplias de neuronas en el cerebro:neuronas excitadoras, que aumentan la actividad de otras neuronas, y neuronas inhibidoras, que lo disminuyen. "Este es un sistema no recíproco, ", Dijo Littlewood." Estamos abriendo colaboraciones con neurocientíficos en UChicago para tratar de ver si aplicar esta lente de pensar acerca de ello es útil ".