Biologové mají ovocnou mouchu. Botanisté mají thale cress. Neurologové mají kruhový červa. Jedná se o modelové organismy: rostliny a zvířata, které vědci v každé z těchto oblastí studují, aby pochopili téměř všechny ostatní rostliny a zvířata na světě.
Například v 90. letech objevili Victor Ambros a Gary Ruvkun novou formu RNA zvané MicroRNA (miRNA) v kulatém červa Caenorhabditis elegans. Pro odhalení, že miRNA reguluje geny a umožňuje určitým fyziologickým procesům ve všech organismech – včetně lidí – správně fungovat, Ambros a Ruvkun obdržel medicínu Nobelova cena V roce 2024.
Podobně vědci studující rekombinantní DNA mají Vykazovali chillToxikologové mají krysy, anatomisté mají zebrafish, ti, kteří studují hepatitidu, mají makaky rhesus atd.
Ve stejném duchu mají fyzici kondenzovaného vzorku model ISING.
Jednoduchý, mocný model
Německý fyzik Ernst Ising vytvořil model ISING v roce 1924 po návrhu jeho doktorského supervizora Wilhelma Lenze. Model ISING poskytuje jednoduchý způsob, jak vyřešit problémy zahrnující systémy, kde různé typy jednotek vzájemně interagují.
Řekněme například, že v komoře je zachyceno plyn několika milionů atomů vodíku a aplikuje se magnetické pole. Musíte zjistit, kolik se energie plynu změnila. Protože každý z těchto atomů je sám jako malý magnet a má severní pól (nebo jižní pól) směřující v určitém směru, můžete jej reprezentovat jako mřížku atomů:
↑ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓
… Tam, kde ↑ znamená „sever směřuje nahoru“ a ↓ znamená, že „sever ukazuje dolů“. Toto je základní instance modelu ISING. Můžete říci, že pokud jsou dva sousední atomy ↑ ↓ nebo ↓ ↑ (anti-vyrovnané), znamená to energii X, a pokud jsou ↑↑ nebo ↓ (zarovnané), energii Y. Tímto způsobem máte jednoduchý matematický způsob, jak odhadnout různé hodnoty X a Y v celé mřížce a používat je a používat je k jejich rychlému výpočtu celkové energie.
Model ISING byl použit k pochopení vlastností mnoha pevných látek a kapalin v různých podmínkách – včetně magnetismu v kovech a slitinách a pohybu atomů. Vědci ji také použili k simulaci změn využití půdy, toku názorů v rodinách a náboženských sborech a k pochopení základů moderní umělé inteligence (AI). Taková práce loni získala amerického fyzika John Hopfield podíl na Nobelově ceně fyziky.
Ne obousměrná ulice
Ale pro velkou použitelnost a snadné použití modelu ISING existuje také mnoho přírodních systémů, jejichž dynamiku nezachycuje. To je zklamáním. Jednou z důležitých tříd systémů je místo, kde záleží na směru efektu. V první neuronové síti, kterou například Hopfield navrhl, by informace mohly proudit v obou směrech ve spojení mezi dvěma uzly v síti. Ale v následující verzi nazvané Feedforward Neural Network by informace mohly proudit pouze z uzlu A do uzlu B, nikoli z B do A. Takové sítě byly důležité pro vytváření modelů AI s pamětí.
Nová studie Publikováno v Fyzikální kontrolní dopisy představil novou formu klasického modelu ISING, která by začleněním nereciprotorových interakcí mohla znovu vytvořit mnoho vlastností jednosměrných sítí. Výsledkem je, že nový model může simulovat větší rozmanitost systémů reálného světa, včetně sociálních sítí, politických strategií a ekologické dynamiky.
Vědci vyvíjejí modely k pochopení nejjednoduššího souboru pravidel potřebných k vysvětlení toho, jak daný systém funguje v různých měřítcích. „Zatímco minimalističtí,“ napsali vědci ve svém příspěvku, nový model „obsahuje funkce vznikající v modelech lidského mozku, dynamiky názoru a mikromechanických oscilátorů“. To znamená, že tyto vlastnosti jsou nyní prozkoumány pomocí modelu.
Vědci jsou Yael Avni, David Martin, Daniel Seara a Vincenzo Vitelli z University of Chicago a Michel Fruchart z Espci Paris.
Pokud má systém nereciprokální interakce, znamená to, že vztah mezi dvěma složkami je asymetrický. Například způsob, jakým atom ovlivňuje atom B, nebude stejný způsob, jakým atom B ovlivňuje atom atom Ato Atoma Am převládají v reálném světě, včetně neurovědy, ekologie a aktivní hmoty.
Například v hierarchické síti, jako je politická strana, jsou členové strany ovlivňováni rozhodnutím vůdce, ale vůdce není ovlivněn rozhodnutími členů. V biologii by populace druhu parazitu mohla ovlivnit pohodu hostitele, ale reverzní vztah se nemusí držet. Podobně napájecí sítě často používají jednosměrné signály ke správě malých částí sítě-včetně úpravy toku energie, detekce poruch a odesílání aktualizací mezi rozvodnami. Abychom pochopili chování kteréhokoli z těchto systémů, potřebují fyzici a inženýři modely, které mohou předvídat účinky asymetrických vztahů.
Nereciprokální systémy také často vykazují jev nazývaný limitní cyklus: jak se změny šíří v systému, celý systém vyvíjí trvalé oscilace závislé na čase. Modely, jako je nový nereciprokální model Ising, jsou nutné k pochopení toho, jak se v průběhu času vyvíjejí.
Dvě pravidla a jedna podmínka
V nové studii vědci vyvinuli nereciprokální model ising se dvěma druhy atomů, P a Q, z nichž každý může být ↑ nebo ↓. Tyto atomy jsou uspořádány na dvou mřížkách, jednu ve dvou rozměrech a druhé ve třech rozměrech. Obě mřížky se řídí dvěma pravidly:
(i) PS vedle PS a QS vedle QS má tendenci se vyrovnat. To znamená, že v průběhu času PS a QS mohou tvořit ostrovy jednotného vyrovnání.
(ii) Pokud je P vedle q, pak se P pokusí vyrovnat s q (↑ na ↑ nebo ↓ na ↓). A však Q vedle P bude mít tendenci být anti-zarovnán s p (↑ na ↓ nebo ↓ na ↑). Toto je nereciprokální interakce.
V recipročním modelu isingu, sousední atomy jsou ↑ ↓ nebo ↓ ↑, znamenaly energii X a bytí ↑↑ nebo ↓, což znamenalo energii Y. To znamenalo, že celková energie systému by byla nějaká kombinace X a Y., když vytvořil jeho neuronovou síť v 80. letech, John Rororsed, který byl určen, že byla určena, byla určena, že byla určena, že je to, že je to určitě nebo roklid Celková energie systému byla nižší. Minimalizací této energie se všechny uzly v síti usadily do daného vzoru ↑ a ↓.
Podobně v nové studii vědci dali svému PS a QS pravidlo následovat. Spíše než minimalizovat celkovou energii mřížky by každý P nebo Q musel minimalizovat svou vlastní „sobeckou energii“.
Hodiny v mřížce
Vlastnosti tohoto nereciprocal isingového modelu, ať už jsou cokoli, nám také vyprávějí o nastavení reálného světa, která jsou konstruována stejným způsobem, např. Informace tekoucí v politických stranách a parazitech a hostitelích interagujících v ekosystému. Co tedy vědci našli?
Nejprve zjistili, že v daném okamžiku může mít nereciprokální model Ising jednu ze tří fází: narušené, kde ↑ a ↓ s jsou všechny uspořádány příliš náhodně, aby existovaly celkový „řádek“; Objednané, kde ↑ a ↓ s mají pevné uspořádání, které se neliší; a fáze swapu, kde, který druh má nejvíce pořadí-PS nebo QS-se v průběhu času střídá, jako je tick-tok hodin.
Nereciprokální model Ising ve 3D, zde uvedený ve dvou konkrétních stavech. Modré tečky ukazují stavy ↑↑ a stín zobrazuje hloubku teček podél osy y. | Foto kredit: ARXIV: 2409.07481V2
Vědci také zjistili důležité rozdíly mezi 2D a 3D verzí modelu. Ve 2D byly objednané i swapové fáze potlačeny, zatímco ve 3D byla fáze swapu schopna dosáhnout stabilního stavu.
(Podle jiného příspěvku stejné skupiny vědců Publikováno v Fyzická kontrola eFáze 3D výměny měla vlastnosti časového krystalu. To je úžasně zvláštní: Časové krystaly jsou neobvyklý stav hmoty, ve kterém má materiál stabilní, oscilační stav.)
Nakonec vědci zjistili, že pokud zavedli asymetrii mezi PS a Qs v nějaké formě – např. Míra, jakou převrátili z ↑ do ↓ nebo naopak – uspořádaná fáze byla schopna stabilizovat se ve 2D mřížce.
Množství aplikací
Model ISING a různé revize IT revolucionizovaly studium fyziky kondenzované hmoty-často odhalením jednoduchých pravidel ležících v zakrytém srdci zdánlivě složitých systémů. Prodloužením modelu ISING tak, aby zahrnoval nereciprační interakce, vědci za novými studiemi nyní rozšířili užitečnost modelu na více domén napříč vědeckými obory.
Fázové přechody nalezené v novém modelu mohou nyní odhalit dosud neuznanou dynamiku v těchto oblastech.
Zjištění mají také potenciální aplikace při porozumění rytmickým aktivitám v biologických systémech a navrhování syntetických „aktivních materiálů“ – které berou energii a plní určitou funkci, jako jsou bakterie plavání ve vodě, starlings mumulující v fascinujících vzorcích na obloze a dokonce mikroskopické roboty, které vycházejí na to, aby létaly.
Publikováno – 20. května 2025 05:30
