Российские физики вместе с американскими коллегами создали на практике и исследовали систему взаимодействующих частиц, для которых формально не выполняется третий закон Ньютона. Статья исследователей опубликована в журнале Scientific Reports.

«Третий закон Ньютона, который все помнят из школьной программы, утверждает, что сила действия равняется силе противодействия. Однако для некоторых открытых и неравновесных дисперсных систем — частиц в среде — симметрия эффективной силы межчастичного взаимодействия может нарушаться, и возникает очень интересная физика: например, частицы самоорганизуются в сложные структуры, система аномально разогревается, появляются необычные неравновесные фазовые переходы», — рассказывает один из авторов исследования, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы Объединеннйого института высоких температур (ОИВТ) РАН Евгений Лисин .

Первый раз создать систему с несимметричным взаимодействием частиц ученые смогли в конце 1990-х годов в Германии. Они наблюдали за поведением пылевых частиц в газоразрядной плазме, действуя на них лазером. В результате физики показали, что частицы откликаются на воздействие по-разному в зависимости от их расположения. С тех пор ученые провел множество экспериментов и расчетов, касающихся несимметричности столкновений частиц в плазме. Несмотря на это, одной из важных нерешенных проблем оставалось прямое экспериментальное исследование особенностей этого процесса. Определить точную силу межчастичного взаимодействия и степень нарушения симметрии в зависимости от условий среды ранее не удавалось.

Сделать это смогли исследователи из ОИВТ РАН, МФТИ и Бэйлорского университета, используя разработанный ими спектральный метод анализа. Он учитывает случайные и диссипативные процессы в системе, не усложняет экспериментальную установку, не нуждается в предварительных измерениях внешних полей и предположениях о типе анализируемого взаимодействия.

В своих экспериментах физики помещали в плазменный разряд две твердые сферические частицы размером в несколько микрон. В разряде частицы приобретали значительный отрицательный заряд. В сильном электрическом поле разряда заряженные частицы могли левитировать, а для удержания одноименно заряженных частиц на близком расстоянии друг к другу ученые дополнительно использовали специальную потенциальную ловушку. Наличие сильного электрического поля приводило к формированию направленного потока ионов.

Заряженные микрочастицы вызывали возмущения в этом потоке и образовывали за собой ионный след. Таким образом на микрочастицу, которая находилась в следе второй частицы, действовала не только сила электростатического отталкивания от второй частицы, но и сила притяжения к ее следу. Из-за этого симметрия эффективного взаимодействия между микрочастицами в плазменной среде нарушалась. При этом даже небольшие изменения заряда одной частицы приводили к существенному изменению наблюдаемого взаимодействия.

«Формальное невыполнение третьего закона Ньютона может возникать в системах взаимодействующих частиц, когда среда, в которой находятся частицы, является своеобразным переносчиком взаимодействия, и способна воспринять недостаток или избыток импульса, так как закон сохранения импульса нарушить нельзя. Кроме газоразрядной пылевой плазмы, примерами таких систем являются некоторые виды коллоидных суспензий и активной материи», — говорит ведущий научный сотрудник лаборатории активных сред и систем МФТИ Михаил Васильев.

Результаты работы исследователей помогут лучше понять процессы в дисперсных системах с нарушенной симметрией межчастичного взаимодействия. Детали несимметричного взаимодействия частиц удобнее изучать на примере плазменно-пылевых систем, из-за того, что на них действуют слабые диссипативные силы. Однако практического применения можно ожидать в области других систем активных коллоидов.