Fizikte bazı yasalar o kadar temel kabul ediliyor ki, doğanın nasıl işlediğine dair anlayışımızın adeta temel taşlarını oluşturuyorlar. Newton’un hareket yasaları da bunların başında geliyor. Bunlardan biri olan Newton’un üçüncü yasası, bir cismin başka bir cisme uyguladığı kuvvete karşılık, ikinci cismin de birinciye eşit büyüklükte ve zıt yönde bir kuvvet uyguladığını söylüyor. Etki ve tepki… Doğadaki tüm cisimler bu yasaya uyuyor. Daha doğrusu bu haftaya kadar uyuyordu. Japon fizikçiler, bir saatliğine de olsa bu etki-tepki simetrisini bozarak Newton’un üçüncü yasasına meydan okudular. Tokyo Bilim Üniversitesi’nde görevli fizikçiler, 10 binden fazla parçacıktan oluşan bir sistemi yaklaşık bir saat boyunca Newton’un üçüncü yasasının öngördüğü karşılıklı etkileşimden uzaklaştırmayı başardı. Araştırmacılar, farklı boyutlardaki mikroskobik parçacıkları bir sıvı içerisinde özel elektrotların arasına yerleştirerek ve alternatif bir elektrik alan uygulayarak, parçacıkların kendi kendilerine hareket eden birimler hâline gelmesini sağladı. Ortaya çıkan sistemde parçacıklar adeta birbirlerini takip eden ve kovalayan yapılar oluşturdu.
Etki ve Tepki Arasındaki Simetri Bozuldu
Burada kritik nokta parçacıkların aynı boyutta olmaması. Sistemde farklı büyüklüklere sahip parçacıklar bir arada bulunuyordu. Elektrik alanı uygulandığında büyük parçacıklar daha güçlü bir elektriksel akış oluştururken, küçük parçacıklar bu akıştan farklı şekilde etkilendi. Bunun sonucunda parçacıklar arasındaki etkileşimlerde bir dengesizlik meydana geldi. Normal şartlarda iki parçacığın birbirine uyguladığı kuvvetler karşılıklı ve eşit olurken, bu sistemde etki ve tepki arasındaki simetri kırıldı.
Araştırmacılar deneyin sonucunun gerçekten parçacıkların boyutlarındaki farklılıktan kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlamak için yalnızca tek boyutta parçacıkların bulunduğu başka bir sistem de oluşturdu. Bu deneyde ise parçacıklar arasında Newton’un üçüncü yasasının öngördüğü karşılıklı etkileşim korunmaya devam etti.
Aslında sistemde herhangi bir parçacığın Newton’un üçüncü yasasını gerçekten “ihlal etmesi” söz konusu değil. Araştırmacıların yaptığı şey, parçacıkların içerisinde bulunduğu ortamı ve dışarıdan uygulanan elektrik alanını kullanarak, kapalı bir sistemde bulunmayan enerji ve kuvvet akışlarını devreye sokmak. Böylece parçacıklar arasındaki etkileşim, klasik anlamdaki karşılıklı kuvvet ilişkisinden uzaklaştırılmış oluyor.
Araştırmanın ortak yazarlarından fizikçi Yutaka Sumino, bu durumu daha anlaşılır hâle getirmek için kum, toz veya yağmur damlaları gibi birbirini çeken parçacıkları örnek gösteriyor. Bu tür parçacıklar bir araya geldiklerinde genel olarak daha büyük kümeler oluşturma eğiliminde. Ancak araştırmacıların geliştirdiği sistemde parçacıklar bir araya gelmelerine rağmen kalıcı olarak birbirlerine yapışmıyor. Bunun yerine kümeler oluşuyor, ardından bu kümeler parçalanıyor ve süreç yeniden başlıyor.
Bu Sistem Biyolojik Yapıları Anlamak İçin de Kullanılabilir
Çalışmanın tek ilginç tarafı Newton’un üçüncü yasasının simetrisinin laboratuvar ortamında geçici olarak kırılması değil. Araştırmacılara göre benzer karşılıklı olmayan etkileşimler doğada ve özellikle biyolojik sistemlerde de bulunuyor olabilir. Hücre kolonileri veya hayvan grupları buna örnek olarak gösteriliyor. Örneğin bir hücre topluluğundaki her hücrenin çevresindeki diğer hücrelerle aynı şekilde etkileşime girmemesi, grubun tamamında tek tek hücrelerin davranışından öngörülemeyen kolektif hareketlerin ortaya çıkmasına yol açabilir. Aynı durum, birlikte hareket eden hayvan gruplarında da farklı biçimlerde görülebilir. Bu nedenle laboratuvarda oluşturulan parçacık sistemi, yalnızca temel fizik yasalarını daha iyi anlamak için değil, doğadaki karmaşık kolektif davranışları modellemek için de kullanılabilir. Dahası araştırmacılar, bu mekanizmanın gelecekte programlanabilir malzemelerin ve mikrorobotların geliştirilmesine ilham verebileceğini düşünüyor. Çünkü küçük parçacıkların birbirleriyle olan etkileşimleri dışarıdan uygulanan elektrik alanlarıyla kontrol edilebilirse, belirli koşullarda kendiliğinden organize olan veya belirli bir yönde hareket eden yapay materyaller oluşturmak mümkün olabilir. Özellikle çok küçük ölçekte çalışan mikrorobotlarda, her bir parçacığın ya da robotun ayrı ayrı kontrol edilmesi yerine, aralarındaki etkileşimlerin değiştirilerek toplu hareketlerin ortaya çıkarılması yeni bir yaklaşım sunabilir.
