一群人或一群鸟与物质中的原子具有不同的特性，但当涉及到集体运动时，这些差异并不像我们想象的那么重要。我们可以尝试根据用于粒子的相同原理来预测人类、鸟类或细胞的行为。
这是发表在《统计力学：理论与实验》杂志(JSTAT)上的一项研究的发现，该研究由一个国际团队进行，其中包括波士顿麻省理工学院和法国国家科学研究院的合作。该研究基于材料物理学，模拟了导致“自推进剂”(如生物剂)从无序状态突然转变为协调状态的条件。
“从某种意义上说，鸟类就是飞行的原子，”这项研究的作者之一、麻省理工学院生物物理学家JulienTailleur解释道。“这听起来可能很奇怪，但事实上，我们的主要发现之一是，行走的人群或飞行中的鸟群的运动方式与粒子的物理系统有许多相似之处。”
Tailleur解释道，在集体运动研究领域，人们一直认为粒子(原子和分子)与生物元素(细胞，还有整个有机体群体)之间存在质的差异。人们尤其认为，从一种运动类型到另一种运动类型的转变(例如，从混乱到有序流动，称为相变)是完全不同的。
在这种情况下，物理学家面临的关键差异与距离概念有关。在空间中与许多其他粒子一起移动的粒子主要根据它们之间的距离相互影响。然而，对于生物元素来说，绝对距离并不那么重要。
“以鸽群中飞行的一只鸽子为例：对它来说，重要的并不是所有离它最近的鸽子，而是它能看到的鸽子。”事实上，根据文献记载，由于认知的限制，在它能看到的鸽子中，它只能跟踪有限数量的鸽子。
用物理学家的术语来说，鸽子与其他鸽子之间存在“拓扑关系”：两只鸟可能相距很远，但如果它们处于同一个可见空间中，它们就会相互联系、相互影响。
在自推进粒子与其拓扑邻居对齐的模型中，人们观察到移动带(绿色)的形成，这是不连续跃迁的典型特征。粒子颜色编码了它们的方向。图片来源：JulienTailleur
人们长期以来认为，这种差异会导致集体运动出现的完全不同的情景“然而，我们的研究表明，这并不是一个关键的区别，”Tailleur继续说道。
“显然，如果我们想要分析真实鸟类的行为，那么还有大量其他复杂因素未包含在我们的模型中。我们的领域遵循爱因斯坦的一条建议，即如果你想理解一种现象，你必须让它&luo;尽可能简单，但不能太简单&ruo;。”
“不是最简单的，而是消除与问题无关的所有复杂性。在我们研究的具体情况下，这意味着真实存在的差异——物理距离和拓扑关系之间的差异——不会改变向集体运动过渡的性质。”
Tailleur及其同事使用的模型灵感来自铁磁材料的行为。顾名思义，这些材料具有磁性。在高温或低密度下，自旋(简化：与电子相关的磁矩方向)由于较大的热波动而随机取向，因此无序。然而，在低温和高密度下，自旋之间的相互作用主导波动，并出现自旋的全局取向(将它们想象为许多对齐的小罗盘针)。
“我的同事HuguesChaté在二十年前就意识到，如果自旋沿着它们指向的方向移动，它们就会通过不连续的相变有序地移动，突然出现一大群自旋一起移动，就像天空中的一群鸟一样，”Tailleur说。
这与被动铁磁体中发生的情况非常不同，被动铁磁体中有序的出现是逐渐发生的。直到最近，物理学家们还相信，受生物学启发的粒子与其“拓扑邻居”对齐的模型也会经历连续的转变。
在研究中使用的模型中，Tailleur和同事表明，即使使用拓扑关系而不是距离，也会观察到不连续的转变，并且这种情况应该适用于所有此类模型。
Tailleur说：“在某些限制范围内，如何调整的细节并不重要，我们的工作表明，这种类型的转变应该是通用的。”
距离与拓扑关系+移动带。图片来源：JulienTailleur
另一个发现是，在所使用的模型中，较大的群体内形成了分层流动，这类似于我们在现实中观察到的现象：大量人群很少一起朝一个方向移动;相反，我们在其中看到有限群体的运动，可区分的流动遵循略有不同的轨迹。
Tailleur总结道，这些基于粒子物理学的统计模型也可以帮助我们理解生物集体运动。
“理解生物学中观察到的集体运动并利用它设计新材料的道路仍然很长，但我们正在取得进展。”
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