Математики разрабатывают броуновскую теорию для реального мира — то есть для условий, когда жидкость, в которой движутся частицы, не статична. Работа ученых из Университета Королевы Марии опубликовано в журнале Nature.
Броуновское движение описывает случайное движение частиц в жидкости, однако эта модель работает только тогда, когда жидкость статична или находится в равновесии.
В реальных условиях жидкости часто содержат частицы, которые движутся сами по себе, такие как крошечные плавающие микроорганизмы. Они могут вызвать движение в жидкости, которое выводит ее из равновесия.
Кроме того, эксперименты показали, что неподвижные «пассивные» частицы могут делать странные, петлеобразные движения при взаимодействии с «активными» частицами. Такие движения не соответствуют обычному поведению частиц, описанному броуновским движением, и до сих пор ученые пытались объяснить, как такие масштабные хаотические движения возникают в результате микроскопических взаимодействий между отдельными частицами.
Новая теория, выдвинутая учеными, объясняет этот процесс. Исследователи создали модель движения частиц в активных жидкостях, которая учитывает все экспериментальные наблюдения. Расчеты показали, что эффективная динамика частиц следует за так называемым «полетом Леви». Это понятие широко используется для описания «экстремальных» движений в сложных системах, которые очень далеки от типичного поведения.
Полеты Леви — движение, состоящее из серий коротких перемещений, причем в промежутках между ними совершаются длинные перемещения. Таким образом, если прочертить траекторию такого движения, то получится большая фигура, состоящая из маленьких, которые по форме напоминают большую.
«До сих пор не было объяснения, как на самом деле могут происходить полеты Леви на микроскопических взаимодействиях, которые подчиняются физическим законам. Наши результаты показывают, что полеты Леви могут возникать как следствие гидродинамических взаимодействий между активными и пассивными частицами в жидкостях, что очень удивительно»
Киёси Канадзава, ведущий автор исследования
Исследователи обнаружили, что плотность активных частиц также влияла на продолжительность режима полета Леви. В связи с этим они предположили, что плавающие микроорганизмы могут использовать полеты Леви с питательными веществами, чтобы определить лучшие стратегии поиска пищи для различных сред.