牛顿第三定律不成立的世界

牛顿第三定律不存在的世界是什么样的？

在最新的实验中，两层微粒子以不同的高度飘浮在电极的上方，科学家通过它们来研究如果牛顿第三定律不再成立，有了非相互作用力，对统计力学将有何影响。图片来源：A. V. Ivlev, et al. CC-BY-3.0

也许有人不知道“牛顿第三定律”是什么，但每个人都很熟悉它的内容：每个力都有与它大小相等、方向相反的反作用力。这一定律在日常生活的很多情况下都能体现，比如走路：我们的脚向后推一下地面，地面就会产生一个大小相等的向前推力。牛顿第三定律在理解与研发汽车、飞机、火箭、船舶等技术上也有着不可或缺的作用。

然而，即使牛顿第三定律被看作一条物理学基本定律，在一些非平衡情况下，它也是可以不成立的。如果两个物体或粒子违反了牛顿第三定律，它们之间的相互作用就被称为“非相互作用力”（nonreciprocal interaction）。当周围环境参与了两个粒子之间的相互作用（比如环境相对于两个粒子发生移动）时，就可能“破坏”牛顿第三定律。当然，对整个粒子与环境组成的系统来说，牛顿定律依然是成立的。

尽管已经有无数实验研究了有非相互作用力的粒子，但我们对这些系统在微观层次上（即统计力学方面）的表现仍然知之甚少。

在新发表于《物理评论X》（Physical Review X）上的一篇研究中，Alexei Ivlev与其同事研究了不同类型的非相互作用力下系统的统计力学特征，发现了一些惊人的结果——比如在粒子尺度上，可能会产生极高的温度梯度。

“我觉得我们的工作最重要的一点就是严格证明了有几种本质上的非平衡系统是完全可以用平衡态统计力学来描述的，比如你可以导出一个赝哈密顿量来描述这些系统。”Ivlev在德国马普地外物理研究所工作，他还告诉Phys.org记者：“这可以产生一些惊人的推论，比如你可以将两种液体混合到细致平衡态，但两种液体各自的温度还不一样。”

研究人员在实验中实现的一种具有非相互作用力的系统，就是在等离子室中飘浮在电极上方的带电微粒。该系统有两种不同类型的微粒，它们的大小和密度都不相同，因而飘浮的高度也不同。室中的电场带来垂直方向的等离子体流，而带电微粒会把经过它的等离子流汇聚到一起，在“下游”形成附着在它身上的等离子体尾流。

尽管由两层颗粒之间的直接相互作用产生的斥力是相互的，但一层颗粒与另一层颗粒的尾流之间的吸引力不是相互的，也就是说并非大小相等方向相反。这是因为静电力随着距离增加而减小，而这两层颗粒高度不同，每个颗粒与对方的尾流之间距离并不相同。结果就是，下层颗粒对上层颗粒的合作用力，要大于上层颗粒对下层颗粒施加的合作用力。这样一来，上层颗粒的平均动能（也就是温度）就高于下层颗粒。科学家还可以通过调节电场的大小增加两层颗粒之间的高度差，从而增加温度差。

“我这个人吧，通常不会轻易地说哪个发现可以‘立即投入应用’，至少在物理领域是这样的，”Ivlev说，“但这次我十分确信，我们的实验结果会帮助大家更进一步地理解某些非平衡系统。有很多天差地别的非平衡系统，它们中粒子的作用都不遵守作用力与反作用力的对称性，但我们证明，用教科书中的平衡态统计力学就能找到一种新的对称性，来描述这类系统。”

尽管这一等离子体实验描述的是二维系统中的作用力-反作用力对称性破缺，在三维系统中也能发生类似的现象。科学家认为，不管是二维还是三维的对称性破缺，都会带来不寻常的奇异现象，他们希望在将来能展开进一步研究。

“我们当前的研究主要集中在以下几个方面：一是过阻尼胶体悬浮系统中的作用力-反作用力对称破缺，这种非相互作用力导致了多种多样的自组织现象，如动态聚类、斑图形成、相分离，等等，研究结果可能会有一些有趣的应用。而另一个方向则是纯基础性的研究：对于这种越来越宽泛的、可以用赝哈密顿量（pseudo-Hamiltonian）描述的‘近哈密顿’非相互性系统，应当怎样去研究？我希望在不久的将来就能找到答案。”（撰文：Lisa Zyga，翻译：丁家琦）

来源：环球世界