Физики разработали математический инструмент для изучения флуктуаций в живых системах

Новый математический подход использует методы, аналогичные тем, что применяются при изучении фундаментальных свойств элементарных частиц, чтобы пролить свет на неравновесные особенности флуктуаций в живых системах. Автор: MPI-DS

При описании коллективных свойств макроскопических физических систем микроскопические флуктуации обычно усредняются, оставляя описание типичного поведения систем. Хотя это упрощение имеет свои преимущества, оно не позволяет уловить важную роль флуктуаций, которые часто могут влиять на динамику драматическим образом, как показывают крайние примеры катастрофических событий, таких как извержения вулканов и обвалы финансовых рынков.

Сложности изучения сложных систем

С другой стороны, всестороннее изучение динамики отдельных микроскопических степеней свободы становится слишком громоздким даже при рассмотрении систем с умеренным количеством частиц. Для описания интерфейса между этими противоположными концами шкалы обычно используются стохастические теории поля для характеристики динамики сложных систем и эффекта микроскопических флуктуаций.

Из-за их подавляющей сложности предсказание результатов путем анализа этих флуктуаций в живых или активных системах материи невозможно с использованием традиционных методов физики. Поскольку эти системы постоянно потребляют энергию, они проявляют динамические черты, нарушающие законы равновесной термодинамики, что связано со стрелой времени.

Новые теоретические достижения в неравновесных системах

В недавнем исследовании Мартину Йонсруду и Рамину Голестаняну из отдела физики живой материи (LMP) в Институте Макса Планка удалось разработать теоретическое описание, которое может строго охарактеризовать роль флуктуаций в системах. «Математически сложно предсказать поведение таких систем, если использовать традиционные инструменты статистической механики», — объясняет Йонсруд, первый автор двух статей, опубликованных в Physical Review Research.

Таким образом, физики разработали подходящий математический инструмент для расширения существующих теорий поля, и теперь они могут делать прогнозы о системах, находящихся вне равновесия, таких как активная материя. «С помощью нашего формализма мы можем определить измеряемые величины, которые могут помочь охарактеризовать неравновесную динамику живой материи и обеспечить экспериментальное проектирование искусственных активных систем», — заключает Голестанян.

Больше информации: Martin Kjøllesdal Johnsrud et al, Fluctuation dissipation relations for active field theories, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/xx4z-lj5c
Martin Kjøllesdal Johnsrud et al, Fluctuation dissipation relations for the nonreciprocal Cahn-Hilliard model, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/flzv-lq7x

Источник: Max Planck Society

ИИ: В 2025 году такие исследования становятся особенно актуальными, поскольку понимание неравновесных процессов в живых системах может найти применение в создании искусственных клеток, разработке умных материалов и даже в понимании фундаментальных основ жизни.