Burung dapat melihat sebagian besar dunia di sekitarnya, tetapi saat terbang berkelompok, mereka hanya memperhatikan burung di sebelah atau di depannya. Mereka tidak menyelaraskan gerakannya dengan burung di belakangnya. Perilaku ini tampaknya bertentangan dengan hukum ketiga Newton, prinsip aksi dan reaksi terkenal yang sering diringkas sebagai: “untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.”
Prinsip ini mudah dilihat dalam kehidupan sehari-hari. Saat kita berlari, kaki kita mendorong ke tanah dan tanah mendorong ke belakang dengan kekuatan yang sama. Gagasan yang sama menjelaskan bagaimana mobil bergerak, bagaimana orang mendayung perahu, dan mengapa balon mengapung ketika udara keluar dari bukaannya. Selama lebih dari 300 tahun, hukum ketiga Newton telah menjadi salah satu dasar fisika klasik.
“Segala sesuatu yang biasanya kami ajarkan kepada siswa kami dalam mekanika teoretis, pada akhirnya didasarkan pada prinsip aksi-reaksi,” jelas Marín Bukov, ketua kelompok penelitian.
Kawanan burung bukanlah satu-satunya sistem yang tampaknya lolos dari aturan ini. Kawanan bakteri, kerumunan, dan bahkan kelompok sel dalam jaringan hidup berperilaku sama. Dalam sistem ini, masing-masing komponen hanya merespons sebagian dari lingkungannya, bukan terhadap segala sesuatu di sekitarnya. Akibatnya interaksi berjalan satu arah, artinya aksi dan reaksi tidak lagi seimbang.
Fisikawan menyebutnya interaksi nontimbal balik. Teori tradisional dirancang untuk interaksi timbal balik, dimana aksi dan reaksi setara. Karena keterbatasan ini, para ilmuwan kesulitan untuk mensimulasikan sistem non-timbal balik secara akurat. Simulasi yang lebih baik penting untuk memahami proses biologis, perilaku kerumunan, dan pergerakan kolektif hewan.
Para peneliti dari Dresden, bersama dengan fisikawan Roderich Moessner, telah menemukan solusi untuk masalah yang sudah berlangsung lama ini. Moessner adalah peneliti utama Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ctd.qmat – Kompleksitas, Topologi dan Dinamika dalam Materi Kuantum – dan direktur Institut Max Planck untuk Fisika Sistem Kompleks di Dresden.
Sebuah cara baru untuk memodelkan sistem non-timbal balik
“Tim peneliti mengembangkan dan membuktikan sebuah teori yang membuat sebagian besar dari apa yang kami ajarkan kepada siswa kami dapat diterapkan juga pada sistem non-timbal balik. Sistem ini, yang tidak menerapkan hukum ketiga Newton, akhirnya dapat dijelaskan dan disimulasikan secara akurat – bahkan dengan menggunakan metode yang sudah ada. Alat inilah yang telah hilang dalam beberapa tahun terakhir,” kata Bukov.
Para peneliti mencapai hal ini dengan memperluas kerangka aksi-reaksi tradisional. Pendekatan mereka memungkinkan sistem non-timbal balik dipelajari dengan menggunakan banyak alat yang sama yang telah digunakan untuk sistem timbal balik biasa. Kuncinya adalah pengenalan variabel buatan tambahan.
Fisikawan biasanya menggambarkan sistem alam menggunakan variabel matematika yang sesuai dengan sifat dunia nyata, seperti posisi dan kecepatan burung, lokasi ikan di sekolah, atau posisi mobil di lalu lintas.
“Trik di balik teori baru ini adalah ia membangun mitra untuk setiap komponen sistem – mitra fiktif yang tidak ada di alam. Interaksi non-timbal balik yang asli digantikan oleh interaksi timbal balik dengan derajat kebebasan tambahan ini,” jelas ahli biofisika Ricard Alert, rekan Bukov.
Kasus burung imajiner
Seperti apa ide ini dalam praktiknya?
“Untuk mensimulasikan pergerakan burung secara akurat, kami mendeskripsikan sistem ‘kawanan burung’ yang dinamis menggunakan metode yang sudah ada – seolah-olah itu adalah sistem timbal balik, meskipun sebenarnya tidak. Solusi elegannya adalah dengan menempatkan burung fiktif di depan masing-masing burung asli, sejajar dengan arah yang berlawanan, ”kata Alert.
Pasangan khayalan ini tidak mewakili burung sungguhan. Sebaliknya, mereka adalah alat matematika yang memungkinkan peneliti mengubah interaksi satu arah menjadi bentuk yang dapat dianalisis menggunakan metode yang ada.
Kemungkinan baru untuk penelitian fisika
Penggunaan derajat kebebasan tambahan bukanlah konsep baru dalam fisika. Hal yang baru adalah bagaimana hal tersebut kini dapat diterapkan pada sistem dengan interaksi non-timbal balik.
Pendekatan ini memungkinkan para ilmuwan untuk memanfaatkan kerangka fisika banyak benda yang sudah mapan sambil menghasilkan simulasi sistem yang kompleks yang jauh lebih akurat. Sama pentingnya, hal ini memungkinkan pemahaman yang lebih mendalam tentang fisika yang mendasarinya. Pemahaman seperti ini sering kali menjadi landasan bagi penemuan-penemuan di masa depan.
“Di Würzburg dan Dresden, kami mempelajari materi kuantum yang partikelnya berinteraksi dalam kondisi tertentu dengan cara yang memunculkan fenomena baru seperti magnetisme atau transpor arus lossless. Pertanyaan yang menarik saat ini adalah apakah pengecualian terhadap hukum Newton ini mengarah pada bentuk perilaku kuantum kolektif yang benar-benar baru. Kita masih sangat sedikit mengetahui hal ini – dan justru itulah yang membuatnya sangat menarik,” kata Moessner.
Temuan tim dipublikasikan di jurnal Fisika alam.
