Πώς ένα κοπάδι ψαριών είναι σαν λάστιχο
ΒΟΣΤΟΝΗ— Οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει εδώ και καιρό εντυπωσιακές ομοιότητες μεταξύ των κινήσεων των κοπαδιών των ζώων και της συμπεριφοράς των ατόμων και των μορίων. Τώρα, ένας φυσικός έχει προχωρήσει παραπέρα και επινόησε έναν τρόπο να μετρήσει την ελαστικότητα και τη «θερμοκρασία» ενός κοπαδιού ψαριών. Τέτοιες μέθοδοι μπορεί να βοηθήσουν τους φυσικούς στις προσπάθειές τους να αναλύσουν τα κοπάδια ζώων ως αντικείμενα κατασκευασμένα από ζωντανή «ενεργή ύλη».
Για το μάτι ενός φυσικού, ορδές ζώων μοιάζουν συχνά με άψυχα φυσικά συστήματα με παράξενους τρόπους. Για παράδειγμα, τα σκουμπρί σε ένα σχολείο τείνουν να κολυμπούν προς την ίδια κατεύθυνση, ευθυγραμμίζοντας το σώμα τους με τους γείτονές τους, όπως τα άτομα σιδήρου ευθυγραμμίζουν τις περιστροφές τους για να κάνουν το μέταλλο μαγνητικό. Ομοίως, ένα μουρμουρητό ψαρονιών που κινούνται στον ουρανό μοιάζει πολύ με σταγονίδια υγρού καθώς ρέουν, τεντώνονται και στροβιλίζονται ως απόκριση σε κάποια αόρατη ανάδευση (ίσως τον άνεμο).
Αυτή η συλλογική συμπεριφορά δεν προκύπτει λόγω κάποιου μεγαλειώδους σχεδιασμού, αλλά επειδή κάθε άτομο κινείται ως απάντηση στα ζώα δίπλα του. «Τα κοπάδια κρατούνται μαζί γιατί τα άτομα παρακολουθούν τους γείτονές τους», λέει ο Nigel Goldenfeld, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα εργασία. "Δεν δίνουν καμία σημασία στο κοπάδι ως σύνολο."
Ωστόσο, η περιγραφή ενός κοπαδιού ως υλικού συστήματος δεν είναι εύκολη, επειδή οι ατομικές αλληλεπιδράσεις δεν είναι φυσικές αλλά κοινωνικές. Ωστόσο, ο James Puckett, ένας φυσικός στο Gettysburg College της Πενσυλβάνια, και οι μαθητές του βρήκαν έναν τρόπο να μετρήσουν τις ιδιότητες των υλικών μιας σχολής τετρών από μύτη (Hemigrammus rhodostomus ), ένα τροπικό ψάρι του γλυκού νερού μήκους περίπου 3,5 εκατοστών που προέρχεται από τη Νότια Αμερική. Τα τετρά μένουν μαζί, αλλά δεν έχουν κοινωνική ιεραρχία και αποφεύγουν το φως, είπε ο Aawaz Pokhrel, ένας προπτυχιακός φοιτητής που εργάζεται με τον Puckett σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής εδώ στις 4 Μαρτίου. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για ομαδικά πειράματα.
Για να μετρήσει την ελαστικότητα ή την ελαστικότητα του σχολείου, ο Pokhrel τοποθέτησε 50 tetras σε λίγα μόλις εκατοστά νερού σε μια μεγάλη δεξαμενή, έτσι ώστε τα ψάρια να μπορούν να κολυμπούν μόνο οριζόντια. Έλαμψε ένα φως από ψηλά, με αποτέλεσμα τα ψάρια να συγκεντρωθούν σε μια τετράγωνη σκιά πλάτους περίπου 25 εκατοστών στο κέντρο της δεξαμενής. Χρησιμοποιώντας χειριστήρια υπολογιστή, ο Pokhrel στη συνέχεια χώρισε τη σκιά και απομακρύνει τα δύο μισά. Σε απάντηση, το κοπάδι των ψαριών θα τεντωνόταν μέχρι που ξαφνικά έσπασε πίσω, με τα ψάρια να πηδούν προς τη μία ή την άλλη σκιά. Ο Pokhrel τα κινηματογράφησε όλα χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως που τα ψάρια δεν μπορούν να δουν. "Βασικά, οι κοινωνικές δυνάμεις ξεπερνούν την εξωτερική διαταραχή" του φωτός, λέει ο Pokhrel.
Αν το κοπάδι ήταν το ίδιο με ένα απλό ελατήριο, ο ρυθμός με τον οποίο τα ψάρια επιταχύνουν προς το κέντρο θα αυξανόταν ανάλογα με την απόστασή τους από αυτό. Παρακολουθώντας μεμονωμένα ψάρια, ο Pokhrel διαπίστωσε ότι, κατά μέσο όρο, αυτό ακριβώς συνέβη. Από τα δεδομένα, εξήγαγε τον ρυθμό με τον οποίο η επιτάχυνση αυξάνεται με την απόσταση - τη σταθερά του ελατηρίου - και βρήκε ότι μια σχολή τετρά-μύτης είναι εξαιρετικά ελαστική:Τεντώστε την μια δεδομένη ποσότητα και τραβάει πίσω μόνο με περίπου το ένα δέκατο χιλιοστό η δύναμη μιας λαστιχένιας ταινίας.
Ομοίως, η Julia Giannini, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο Syracuse της Νέας Υόρκης —η οποία μέχρι πρόσφατα συνεργαζόταν με τον Puckett— ανέφερε έναν τρόπο μέτρησης μιας αποτελεσματικής «θερμοκρασίας» μιας σχολής tetras. Σε ένα συνηθισμένο υλικό, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης ενέργειας των συστατικών ατόμων ή μορίων.
Χρησιμοποιώντας τη δεξαμενή, περιόρισε 50 ή 100 τετρά σε μια κυκλική σκιά ακτίνας περίπου 30 εκατοστών και στη συνέχεια συρρίκνωση του κύκλου με διαφορετικές ταχύτητες, προκαλώντας το συνωστισμό των ψαριών. Χρησιμοποιώντας υπέρυθρη παρακολούθηση, υπολόγισε την πυκνότητα των ψαριών στη σκιά. Χρησιμοποιώντας τις ταχύτητες των μεμονωμένων ψαριών, υπολόγισε μια ποσότητα ανάλογη με την πίεση. Όπως και με έναν όγκο αερίου, η πίεση αυξήθηκε αναλογικά με την πυκνότητα. Και η σταθερά της αναλογικότητας, η οποία εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία ο κύκλος συρρικνώνεται, παίζει στη συνέχεια το ρόλο της θερμοκρασίας, είπε ο Τζιανίνι στη συνάντηση. Ένας κύκλος που συρρικνώνεται γρήγορα, για παράδειγμα, οδηγεί σε πιο «καυτά» ψάρια. Έτσι, το σχολείο των tetras δρα σαν αέριο με σταθερή, καλά καθορισμένη θερμοκρασία.
Ο στόχος μιας τέτοιας εργασίας είναι να περιγράψει τη δυναμική ενός κοπαδιού ψαριών ή κοπαδιού πουλιών χρησιμοποιώντας τις μακροσκοπικές «υλικές» του ιδιότητες, χωρίς να παρακολουθεί τα μεμονωμένα ζώα, λέει ο Puckett. Το πόσο μακριά μπορείτε να προωθήσετε την αναλογία των υλικών παραμένει ασαφές, αναγνωρίζει. Για παράδειγμα, στη θερμοδυναμική, όταν αναμιγνύονται αέρια δύο διαφορετικών θερμοκρασιών, ισορροπούν σε μια κοινή ενδιάμεση θερμοκρασία. Δεν είναι ξεκάθαρο αν αυτό θα συνέβαινε με τα ψάρια — ή πώς θα μπορούσατε να κάνετε αυτό το πείραμα, λέει ο Giannini.
Το έργο έχει πολλές υποσχέσεις, λέει ο Goldenfeld. «Έχουν έναν τρόπο να κάνουν ελεγχόμενα πειράματα που δεν μπορείς να κάνεις με ψαρόνια», λέει. Προσθέτει ότι η δουλειά είναι ακόμα στα σπάργανα, αλλά μετά τις συνομιλίες, ο Goldenfeld κούμπωσε τον Puckett και την ομάδα του για να μιλήσουν για μια πιθανή συνεργασία.
