Изучая пингвинов, физики выяснили, что индивидуальное стремление к комфорту у каждого элемента системы не препятствует достижению оптимального состояния для всей группы. Это объясняется тем, что на элементы системы действуют силы, объединяющие сразу три объекта.
Для защиты от переохлаждения в арктических условиях пингвины формируют небольшие группы, держась вместе. Однако, слишком тесное расположение может привести к перегреву, а избыточный разрыв между особями – к замерзанию. Каждый пингвин стремится к оптимальной температуре, выбирая наиболее подходящую позицию относительно других членов группы.
Эта группа пингвинов демонстрирует систему, состоящую из множества взаимодействующих друг с другом элементов, постоянно стремящихся к самосовершенствованию и поиску наиболее выгодного местоположения. Исследователи решили детально проанализировать особенности поведения подобных систем, так как многие реальные процессы используют аналогичные механизмы самооптимизации.
Именно личное стремление к улучшению условий, так называемый «шкурный интерес», стимулирует каждого активного участника к достижению наилучшего результата для всей группы. Для изучения поведения активных частиц физики разработали принципиально новую модель, в которой агенты самостоятельно определяют направление своего движения.
Частицы движутся в едином скалярном поле, где каждой точке присвоено определенное значение параметра — для пингвинов это температура. Движение частиц происходит в сторону наибольшего изменения параметра, что позволяет им стремительно достигать точки с его оптимальным значением. Ученые выявили, что взаимодействие с полем автоматически порождает силы, объединяющие сразу три частицы. По мнению исследователей, эти связи, образующие тройки, являются важным фактором для понимания коллективного поведения активных частиц.
В статье представленный метод демонстрирует, что групповое взаимодействие, обусловленное стремлением каждого элемента к оптимальному состоянию, приносит пользу всей системе. Это приводит к формированию упорядоченной апериодической структуры, в которой активные частицы с меньшим числом соседей располагаются ближе друг к другу для повышения температуры, подобно пингвинам.
Выявленный принцип оптимизации проводит аналогию между физикой и биологией, демонстрируя, как количественное моделирование, основанное на простых правилах коммуникации, приводит к явлениям, которые невозможны при обычном взаимодействии двух элементов. Подобную динамику исследователи рассчитывают наблюдать и в других биологических системах, таких как группы животных или сообщества микроорганизмов.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.