Quand deux personnes veulent des choses différentes, la frustration est inévitable. Mais ces interactions non réciproques peuvent également se produire non seulement entre les personnes, mais dans le monde naturel.

Dans un article publié le 14 avril dans la revue La nature , une équipe de scientifiques de l'Université de Chicago a décrit comment les systèmes composés de nombreux objets qui ont de telles interactions non réciproques peuvent évoluer de manière surprenante. Cela peut sous-tendre de nombreux phénomènes que nous voyons autour de nous, des neurones aux troupeaux d'oiseaux et aux systèmes quantiques.

Il existe un domaine de la physique qui traite de la détermination du comportement collectif résultant de l'interaction de nombreux objets. Si les objets ont la capacité de se déplacer selon leurs propres "préférences, " ils sont appelés agents actifs. Par exemple, les humains dans les foules ont tendance à se déplacer ensemble, ou les oiseaux pourraient préférer s'aligner en V-formations en volant.

Mais comme ils ont envisagé différents scénarios, les chercheurs ont découvert que si les préférences sont en concurrence, parfois, ils peuvent créer des formes de mouvement uniques.

"Imaginez deux enfants qui doivent s'asseoir ensemble à une table dans un jardin pour déjeuner, " a déclaré le co-auteur de l'étude et chercheur postdoctoral Michel Fruchart. " Un enfant veut s'asseoir près de l'autre. Mais l'autre enfant veut s'asseoir le plus loin possible du premier. Dès que le premier enfant se rapproche, le deuxième enfant s'éloigne, et ils finissent par tourner constamment autour de la table."

Lorsque de nombreux agents en désaccord sont réunis, cela crée un mouvement collectif constant, générés par la « frustration » de leurs tendances concurrentes. "C'est inhabituel car il n'y a pas de couple externe, " a déclaré le professeur Vincenzo Vitelli, un co-auteur de l'étude. "La rotation vient simplement de la façon dont les agents interagissent."

En conséquence, une rotation se crée spontanément :les agents (comme les robots dans le film) peuvent commencer à tourner soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire, en fonction de leurs conditions initiales.

L'équipe a exploré les comportements en changeant à quel point les agents sont d'accord ou en désaccord les uns avec les autres. Ils ont remarqué que le moment où le mouvement spontané est créé équivaut à une transition de phase, comme le moment où l'eau passe du liquide à la glace. "Mais c'est un type spécial de transition de phase, marqué par ce que l'on appelle en mathématiques un point d'exception, " dit Fruchart.

C'était passionnant pour les scientifiques car c'est un nouveau défi dans la compréhension du comportement des systèmes avec de nombreux objets en interaction, un domaine appelé physique à plusieurs corps.

"En outre, ce qui est intéressant c'est que c'est une théorie générale, " a déclaré le co-auteur de l'étude, le professeur Peter Littlewood. " Il s'avère que cette transition a des caractéristiques universelles qui apparaissent dans de nombreux systèmes apparemment sans rapport. "

"C'était un moment très excitant, réaliser que le concept que nous recherchions était plus général - qu'il apparaît largement dans la nature, ", a déclaré Ryo Hanai, chercheur postdoctoral et co-auteur de l'étude.

Hanai et Littlewood ont rencontré le concept de points exceptionnels alors qu'ils tentaient de comprendre le comportement d'un type de matière quantique qui peut gagner ou perdre de l'énergie. Ils savaient qu'ils pourraient l'expliquer sans le langage de la mécanique quantique. "On se doutait que le concept lui-même était beaucoup plus large, " dit Hanai. " Heureusement, l'Université de Chicago est un endroit où vous pouvez marcher dans le couloir et parler à l'un des plus grands experts en matière active, et c'est ce que nous avons fait. »

Dans le couloir, Vitelli et Fruchart étudiaient des points exceptionnels dans un tout autre contexte, dans un domaine appelé matière active, qui étudie le comportement des objets avec des sources d'énergie internes, comme une volée d'oiseaux ou du tissu musculaire. Les quatre physiciens se sont associés pour explorer les similitudes mathématiques déroutantes entre ces sujets apparemment disparates.

"On pourrait penser que la physique des systèmes qui peuvent gagner ou perdre de l'énergie et celle des systèmes non réciproques seraient distinctes, " dit Vitelli. " Mais quand nous l'avons regardé, nous avons trouvé que la distinction était floue, de sorte que vous ne pouviez pas penser à l'un sans l'autre. Quand tu peux brouiller cette distinction, vous avez soudainement beaucoup de nouvelles façons d'attaquer un problème."

Parce que les systèmes non réciproques sont répandus dans la nature, les chercheurs espèrent que leurs résultats pourront être utiles dans des domaines autres que la physique.

Par exemple, il existe deux grandes catégories de neurones dans le cerveau :les neurones excitateurs, qui augmentent l'activité des autres neurones, et neurones inhibiteurs, qui le diminuent. "C'est vraiment un système non réciproque, " Littlewood a déclaré. "Nous ouvrons des collaborations avec des neuroscientifiques à UChicago pour essayer de voir si l'application de cette lentille de réflexion est utile."