ボストン— 物理学者は、動物の群れの動きと原子や分子の挙動との間に顕著な類似性があることに長い間注目してきました。現在、ある物理学者がさらに進んで、魚の群れの弾力性と「温度」を測定する方法を考案しました。このような方法は、物理学者が動物の群れを生きた「活性物質」でできた物体として分析するのに役立つ可能性があります。
物理学者の目には、動物の群れはしばしば奇妙な方法で無生物の物理システムに似ています。たとえば、サバの群れは同じ方向に泳ぐ傾向があり、鉄原子がスピンを整列させて金属を磁性にするのと同じように、体を隣のサバに整列させます。同様に、空を横切るムクドリのつぶやきは、目に見えない攪拌 (おそらく風) に反応して流れ、伸び、渦を巻くときの液滴のように見えます。
このような集団行動は、壮大な計画によるものではなく、個々の個体が隣の動物に反応して動くために生じる.イリノイ大学アーバナ校の物理学者 Nigel Goldenfeld 氏は、「群れがまとまっているのは、個体が隣人を追跡しているためです」と述べています。 「彼らは群れ全体に注意を払っていません。」
ただし、個々の相互作用は物理的ではなく社会的なものであるため、群れを物質システムとして説明するのは簡単ではありません。それにもかかわらず、ペンシルバニア州のゲティスバーグ大学の物理学者であるジェームズ・パケットと彼の学生たちは、ラミーノーズ・テトラの群の材料特性を測定する方法を発見しました (Hemigrammus rhodostomus ）は南米原産の体長約3.5センチの淡水熱帯魚。四体はくっつきますが、社会的階層はなく、光を避けます、とパケットと一緒に働いている学部生の Aawaz Pokhrel は、3 月 4 日にここでアメリカ物理学会の会議で語った。そのため、グループ実験に最適です。
群れの弾力性や弾力性を測定するために、ポクレルは大きな水槽のわずか数センチメートルの水に 50 匹のテトラを入れ、魚が水平にしか泳げないようにしました。上から光を当てると、水槽の中央に幅25センチほどの四角い影ができた。コンピューター制御を使用して、Pokhrel は影を分割し、2 つの半分を離しました。それに応じて、魚の群れは、突然元に戻るまで伸び、魚はいずれかの影に飛び込みます。ポクレルは、魚には見えない赤外線を使ってすべてを撮影しました。 「基本的に、社会的勢力は光の外部摂動を克服します」と Pokhrel は言います。
魚群が単純なバネと同じである場合、魚が中心に向かって加速する速度は、中心からの距離に比例して増加します。個々の魚を追跡することで、Pokhrel は、平均して、まさにそれが起こっていることを発見しました。彼はデータから、加速度が距離とともに増加する割合 (ばね定数) を抽出し、ラミーノーズ テトラの群れが非常に伸縮性があることを発見しました。一定量伸ばすと、約 1 万分の 1 で元に戻ります。輪ゴムの力
同様に、ニューヨークのシラキュース大学の大学院生である Julia Giannini は、最近まで Puckett と一緒に働いていましたが、テトラの群れの効果的な「温度」を測定する方法を報告しました。通常の物質では、温度は構成原子または分子の平均エネルギーの尺度です。
タンクを使用して、彼女は半径約 30 cm の円形の影に 50 または 100 のテトラを閉じ込めてから、さまざまな速度で円を縮小し、魚を密集させました。赤外線追跡を使用して、彼女は影の中にいる魚の密度を数えました。個々の魚の速度を使用して、彼女は圧力に類似した量を計算しました。気体の体積と同じように、圧力は密度に比例して増加します。そして、円が縮小する速度に依存する比例定数は、温度の役割を果たす、とジャンニーニは会議で語った。たとえば、急速に縮小する円は、「より熱い」魚につながります。したがって、四面体の群れは、明確に定義された一定の温度を持つ気体のように機能します。
このような研究の目標は、魚の群れや鳥の群れのダイナミクスを、個々の動物を追跡することなく、その巨視的な「物質」特性を使用して記述することだと、パケット氏は言います。材料のアナロジーをどこまで推し進めることができるかは不明のままである、と彼は認めています。たとえば、熱力学では、2 つの異なる温度の気体が混合すると、それらは共通の中間温度で平衡になります。それが魚で起こるかどうか、あるいはどのようにその実験を行うことができるかさえ明らかではありません、とジャンニーニは言います.
この研究には多くの可能性がある、と Goldenfeld 氏は言います。 「彼らは、ムクドリにはできない制御された実験を行う方法を持っています」と彼は言います。彼は、この作業はまだ初期段階にあると付け加えていますが、話し合いの後、Goldenfeld は Puckett と彼のチームにコラボレーションの可能性について話しました.
