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牛顿|牛顿第三定律失效？芝加哥大学发现作用力不等于反作用力

牛顿第三运动定律表述是：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上 。
它由牛顿在1687年提出，和第一、第二定律共同阐述了经典力学中基本的运动规律 。
400年来，事物确实在按照这样的定律运动，比如我们不会从地板上掉下去，是因为地板也在推着我们，为什么划桨可以推动船前进，是因为水也在推动船桨 。
当系统处于平衡状态时，没有能量进出，这种基本规则 。从数学上讲，这种系统可以用统计力学来完美描述，从而使得人类能够完全模拟物质相变的条件，例如水结冰 。
但世界上还有许多并未达到平衡的系统，比如生命本身 。
在这样的系统中，牛顿第三定律失效了 。芝加哥大学凝聚态理论家Vincenzo Vitelli将其命名为“非互惠系统” 。
“想象一下，如果A对B粒子的作用方式与B对A的作用方式不同，并且作用力也不同，这种非互惠（nonreciprocity )关系出现在神经网络中，甚至社会群体中，会变成什么样？”Vitelli说 。
对于这些不守规矩的系统，非互惠性占主导，统计力学无法表示相变 。我们如何描述这样不断变化的系统呢?
Vitelli和同事在数学对象中找到了答案，称为“奇点”，即两个或多个特征属性变得无法区分并在数学上合二为一的点 。
在奇点上，系统的数学行为与其在附近点的行为截然不同，因此奇点通常用来描述系统中的奇怪现象 。比如激光，在这个系统中能量不断获得和损失 。
现在，Vitelli团队发现，这些奇点也控制着非互惠系统中的相变 。
对奇点的研究并不是新事，几十年来，物理学家和数学家在各种环境中对它们进行研究，但从未将奇点与相变联系在一起 。Vitelli的发现或许将推动数学、物理向前发展 。
牛顿|牛顿第三定律失效？芝加哥大学发现作用力不等于反作用力
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Vincenzo Vitelli
1、当对称性破裂时，“奇点”出现
这项研究从量子怪异开始 。几年前，芝加哥大学博士后研究员Ryo Hanai和他的导师Peter Littlewood，正在研究一种叫做极化子的准粒子 。
准粒子本身不是粒子，它是一组量子行为 。总体上看，它们的行为类似于一个粒子 。当光子(负责光的粒子)与激子(激子本身就是准粒子)耦合时，极化子就出现了 。
极化子的质量极低，意味着它们可以移动得非常快，并且可以在比其他粒子更高的温度下形成一种称为玻色-爱因斯坦凝聚体 (Bose-Einstein condensate ，BEC) 的物质状态 。在BEC状态下，分离的原子全部坍缩成一个单一的量子态 。
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相变，例如水冻结，在平衡系统中很容易理解 。但芝加哥大学的 Peter Littlewood（左）和 Ryo Hanai 发现，在能量不断泵入的量子系统中，相变可以理解为奇点，称为异常点 。
然而，使用极化子来创建BEC极其复杂，因为这个系统是“漏”的：一些光子不断地逃离系统，就意味着光必须不断地被泵入系统，以弥补差额 。Hanai说：“从理论角度来看，这就是我们感兴趣的地方 。”
对Hanai和Littlewood来说，这类似于创造激光 。他们想知道：非平衡状态如何影响物质跃迁到BEC或其他奇异量子态？特别是，这种变化如何影响系统的对称性?
在物理学中，研究最多的相变出现在磁性材料中，像铁或镍这样的磁性材料中的原子都有一种叫做磁矩（magnetic moment）的东西，可以理解它是一个很小的、单独的磁场 。
在磁体中，这些磁矩都指向同一方向并产生磁场 。但是，如果将磁性材料加热到足够高，这些磁矩就会变得混乱，有些指向一个方向，有些指向另一个方向--整个磁场消失了，对称性恢复了 。
当它冷却时，方向瞬间再次对齐，自由形态的对称性被打破，并恢复磁性 。
鸟群也可以被视为对称性的破坏：它们不是以随机的方向飞行，而是像磁铁中的自旋一样排列整齐 。但是有一个重要的区别：铁磁相变很容易用统计力学解释，因为它是一个平衡系统 。但是鸟类，以及交通中的细胞、细菌和汽车，因为它们有内部能量的来源，所以它们的行为不同 。
2、量子研究之外
Hanai和Littlewood因此开始了从生活中最常见的相变到BEC相变的研究 。
以水为例：Littlewood说，尽管液态水和蒸汽看起来不同，但它们之间基本上没有对称性区别 。从数学上讲，在过渡点，这两种状态是不可区分的 。在平衡系统中，那个点称为临界点 。


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