@ 2014.07.28 , 15:38

鸟群的变向模式与超流体液氦有共通之处

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鸟群在空中飞舞是很壮观的景象,每一只鸟几乎在同时改变方向,好像是精心编舞的舞蹈。现在科学家终于解开了鸟群的瞬时转向之谜——这和液氦的某种特殊量子现象是一样的。

“这是目前第一个详细研究群体是如何统一运动的研究项目。”瑞典乌普萨拉大学的David Sumpter表示,他没有参与这项研究。

鸟群惊人的同步性一直以来都困惑着研究人员和鸟类观察爱好者们。30年代的时候,鸟类学家Edmund Selous甚至还提出鸟类这样优秀的协作性靠的是心灵感应。从那时起到至今,研究人员利用数学模型,一直在提出更为完善的理论。

90年代时,位于匈牙利布达佩斯的罗兰大学的一名物理学家Tamás Vicsek提出了一种更好的模型,这个模型设定为所有的鸟飞行方向和邻近的鸟相同。如果其中一只鸟向右飞,邻近它的鸟也会和它方向对齐。但是一个由意大利和阿根廷的研究人员组成的科研团队发现这种理论还不能准确描述鸟群转向的具体细节。

研究团队的领导人是罗马复杂系统研究院的Andrea Cavagna 和 Asja Jelic ,团队用高速摄像机拍下了罗马当地一个火车站附近椋鸟群的飞行视频。利用追踪软件对视频进行跟踪,研究团队能够分辨出鸟群中哪些鸟做出了变向的决定,以及变向的精确时间,这些信息可以追踪鸟群中变向这个决定信息传播的方式。根据追踪数据显示,变向的决定最初是由头鸟做出,随后在鸟群众以恒定速度,约20米-40米/秒的速度传播。就是说,一个有400只鸟的鸟群,整体变向只需要半秒多一点的时间。

“这真是测量技术上的绝技。”印度海拉得巴市塔塔跨学科基础科学研究中心的Sriram Ramaswamy表示,他本人没有参与研究。

结果显示鸟群的变向信息传播模式与Vicsek的模型相矛盾,Cavagna表示。他解释说在Vicsek的模型会产生信息丢失,如果鸟群是靠这种方法传递信息,那么不是所有的鸟都能及时得到信息,也就不能整齐地飞行了。

团队认为鸟群中的鸟并非靠复制邻近鸟的飞行方向,复制的其实是邻近鸟的转向幅度。研究人员用数学方法推导出了转向这个动作是如何在鸟群众传播的。他们假设每只鸟有一名为“自旋”的属性,这个自旋和物理学里基本粒子的自旋类似。通过比对彼此的自旋,鸟类可以保存整个鸟群的总自旋。所以,方程式显示转向信息会以恒定速度在鸟群中扩散,就和之前研究人员观察到的现象一样。就是靠着这种传播速度,每只鸟才能做到几乎在同时转向。研究团队的研究发表在7月27日的《自然物理学》期刊上。

新的模型显示信息传播的速度比鸟群对齐的速度更快——这也是团队观察到的另外一个现象。其它模型并没有指出这层关系,也没有对其进行解释。

Cavagna还指出,新模型和描述超流体氦的方程式相同。当温度接近绝对零度时,氦会变成一种完全没有任何粘性的超流体,此时的超流体由量子物理学法则支配。超流体中每一个原子都具有相同的量子态,刚好和鸟群具有数学上的相似性。

超流体液氦的性质:

本文译自 Sciencemag,由译者 王大发财 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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