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精子运动违背牛顿第三定律?真相竟然是……

原标题:精子运动违背牛顿第三定律?真相竟然是……

2023年10月29日,有媒体发表了这样非常惊人的新闻:

《科学家首次发现:精子运动违背牛顿第三定律作用力和反作用力》

媒体的标题总是夺人眼球,充满尿点。

一群媒体自我发挥,试着用经典力学的描述来解释一通,的确看起来就很搞笑。

奇异弹性上面的描述,是原论文中并不存在的

难道这篇报道,就真的完全仅仅只是这个经典笑话?

不过,别笑,真相没那么简单!

深扒这篇论文后,我发现并不简单……

虽然媒体的内容的确是完全自由发挥,但论文作者,的确提到了【违背牛顿第三定律】[1]。

难道论文作者的研究,自身就是一个炒作?

但看着这朴实无华的标题,《奇异弹性流体力学:粘性流体中的非互易生命物质 Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid》,也根本不像啊。

但一检索和【违背牛顿第三定律】相关的论文,却发现这样的论文还真不少,甚至有的还涉及到量子场论。

我们知道,在量子力学和相对论中,经典牛顿力学的确不再适用。

难道……

人类精子的运动,竟然涉及到量子力学或者相对论?

如果真的是这样,那可真是一个天大的新闻了。

为了弄清楚真相是什么,我们先用关键词来突破。

媒体报道的时候, 提到了一个关键词【奇异弹性(Odd elasticity)】,关于这个概念,引用量最高的是2020年《Nature-Physics》上的一篇论文[2]。

看了下这篇论文,虽然里面没有直接说【违背牛顿第三定律】,但却多次提到【违反弹性模量张量对称性】,违反【违反应力张量】……

这和直接说违反牛顿第三定律,都已经没啥区别了。

甚至论文中,还提到了违反【麦克斯韦-贝蒂互易定理(Maxwell-Betti reciprocal work theorem)】这个典型电磁互易定律。

但也得注意到,这篇论文,虽然设计了实验研究,奇异弹性对经典力学和电磁学的违背,但对这种违背并没有更底层的解释。

底层原理是什么呢?

就在这时,我注意到了关键词【非互易 non-reciprocal

非互易这个关键词,甚至就出现在这篇【精子违背牛顿第三定律】论文的标题中:

《奇异弹性流体力学:粘性流体中的非互易生命物质 Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid》。

论文摘要中,也有提到了【 non-reciprocal mechanical interactions】,翻译过来就是非互易机械相互作用。

看来,要明白这篇论文在讲什么,需要弄清楚【非互易】这个概念至关重要。

什么叫非互易性呢?

首先我们需要先理解什么叫做【互易】。

无论牛顿第三定律里的相互作用力,还是电磁力学中的电磁相互转换,还是光学的可逆性,这些都是互易性。

可以看出,互易性本质上是物理世界的对称性。

而对称性和守恒量之间,是一一对应的。

1915~1918年,科学家诺特,通过诺特定理把二者联系了起来。

诺特定理是【奇异积分方程】的基本定理。

简而言之,在经典物理学中,我们的世界之所以是宇称守恒的,是因为:

  • 时间上的连续对称变化(时间平移对称性),导致能量守恒定律;
  • 空间平移对称性,导致动量守恒;
  • 空间旋转对称性(空间各向同性)导致角动量守恒定律。

从微观来说,一个粒子的镜像与其本身性质完全相同。

当李逵照镜子,镜子中的还是应该是李逵,而不会变成李鬼。

对称性是无数物理学家信奉的经典,泡利甚至表示,愿意用任何东西赌,宇称一定是守恒的。

然而杨振宁和李政道,却发现了宇称不守恒[3]。

当时的研究发现,θ介子和和τ介子是两种质量、寿命、电荷都相同的粒子,但θ介子却衰变生成两个π介子,τ介子却衰变生成三个π介子。

于是杨振宁和李政道提出,θ和τ会不会是同一种粒子,只不过宇称不守恒?

这个破天荒的想法提出后,引起了物理学界的众多反对,但二人却请来吴健雄完成了宇称不守恒的实验验证。

自旋与质量、电荷等物理量一样,是微观粒子的一个基本属性。

按照经典物理学的解释,当改变一颗原子的自旋,进行衰变的时候,释放出来的粒子,也应该保持守恒律。

在β衰变中,如果把原子自旋变成镜像,大多数电子,都是受到相同方向的电磁力,因此镜像中的电子分布规律会和现实中相同。

  • 这里应该有人无法理解,为什么镜像和现实中电子发射方向会一致。这是因为,镜像中不仅原子核运动方向是镜像相反的,电子的发射的方向也是镜像相反的。原子核发出的磁场方向变为镜像,假设电子没有变成镜像,发射方向的确会相反。但电子同时也变成了镜像,所以发射方向就会变成同向。这其实也是宇称守恒的“完美”所在,所以曾经才有那么多物理学家坚守。

在实验中,吴健雄在0.01K的极低温度下,通过强磁场获得了自旋相反的钴60,与对照组互为镜像。

但最终的实验结果却显示,镜像组释放出来的电子分布并不相同。

衰变过程中,释放出的电子运动方向和 γ 射线也是同步的。 γ 射线其实可以相当于一个尺子,来度量电子究竟偏了多少。然而最终统计结果表明,无论对照组,还是 γ 射线,都得出电子分布改变了。从本来应该向下分布更多的电子,变成了向上分布更多。

电荷之间的相互作用力,是符合经典电子力学的。

更多分布在上面,那么说明电磁力让更多的电子向上运动。

合理的解释只能是:衰变发射出来的左手电子数和右手电子数是不相等的,因此产生不同方向电磁力,导致了电子的不同分布。

自旋方向与行进方向相同为右手粒子,自旋方向与行进方向相反的为左手粒子

左右手性电子数不同,自然证明了宇称不守恒。

所以,杨振宁、李政道,以及吴健雄等人的研究,告诉我们,我们的宇宙并不是严格对称的,具有宇称不守恒,具有对称性破缺。

后来发现,中微子总是左旋,反中微子总是右旋,证明了弱相互作用的最大对称性破坏。正反粒子变换也存在不守恒,电荷共轭(C)也是对称性破坏的,因此和宇称P的破坏,共同称为CP破坏。

总之,虽然我们宇宙绝大多数的东西都是互易性的,但依旧具有非互易性,尤其是涉及弱相互作用力的微观层面。例如凝聚态物理,就有典型的非互易性表现。

铺垫了这么多,我们终于可以来看看,原论文涉及到的非互易性,是否能证明精子运动违背牛顿第三定律了。

真的能吗?

并不见得。

这篇发布于《Nature》的论文,详细介绍了非互易性[4]。

论文中提到,除了量子物理学家眼里严格的非互易性外,其实在材料学中,非互易性可以单指宏观表现,微观层面可以是符合互易性的。

例如,二极管只能单方向通电,表现出宏观的非互易性,但在微观层面,原子是符合互易性的。

关于宇宙的对称性,李政道先生有个很有意思的观点[5]:

我们认识宇宙是否对称,其实和我们的【不可观测量 Non-observables】有关。

我们认为宇宙对称,是因为还存在不可观测量。例如,我们对空间均匀性的绝对位置不可分,所以认为动量守恒,对时间均匀性的绝对时间不可分,所以认为能量守恒。我们曾经之所以认为宇称守恒,也是因为存在不可观测量。但后来,我们观测到了原本没有观测到的量,区分出了【左-右】,因此发现了宇称不守恒。

可能有些观测量,人类是永远无法发现的,于是在我们眼里总是对称而处于平衡的。当我们发现某个观测量可观测量,对称性就破缺了。当发现不可观测了,对称性就恢复了。

这个概念,其实可以用于宏观集群的非互易性。

例如无论对于相对微观的菌群,还是宏观的鸟群来说,群体总是在不断变化。我们给它一个力,很有可能反馈的力更大,也可能更小。从而它在整体宏观上表现出违背牛顿第三定律(值得注意的是,这是集群表现。从个体上来说,并不违背。你施加的力,会在个体之间以符合牛顿第三定律不断传递)。

宏观的非互易,在前沿领域,也在积极进行材料研发,并进行非互易机器的实验。

个体之间的互相影响是不可控的,因此对于整体的变化很难用统计学计算,然而,研究者通过引入奇异点的概念,通过非互易相变,来分析这种表现出来的对称性破坏。(值得注意的是,这里的对称性破坏,也指的是宏观聚群,而非量子力学概念)

宏观集群,与微观粒子类似,都会在跨越奇异点后打破宇称,形成一种自发对称性破缺的手征相。

最后在总结下,非互易性其实有两种形式:

一种是从宏观到微观,都是非互易性的,这体现的是物理学上的宇称不守恒。

另一种仅仅只是宏观的非互易性,它具有宏观的对称性破坏特征,但并不是真正的宇称不守恒。

虽然非互易性搭建起了微观和宏观之间的特殊桥梁,但个人认为,后者更多的是宇称不守恒在宏观集群上的数学扩展运用。

那精子运动中的非互易性,究竟是宏观的还是微观的呢?

可以注意到,这篇论文中提到的非互易性,是通过奇异弹性(Odd elasticity)所表现出来的。

活性生命体所表现出来的奇异弹性,实际在更早的《Nature》论文中,就有介绍。

例如,去年(2020年)刊登在《Nature》上,名为《奇怪的生物违背了力学的黄金法则 Odd living matter defies the golden rule of mechanics[6]》,以及《活性手征晶体的奇异动力学 Odd dynamics of living chiral crystals[7]》的两篇论文,便已经充分研究了活性微观生物体,所表现出来的奇异弹性。

生命体总是在流体中运动。

因此,与奇异弹性一起出现的,往往还有奇异粘性。

对于生物体来说,低雷诺数流体表现出的奇异粘性,本身就会带来不对称的应力改变。

而奇异粘性和奇异弹性,是的确可以在微观上表现出非互易性的[8]。

磁场中的多原子气体、磁化等离子体、旋转的气体、凝聚态物质都可以表现出奇异粘性。

例如,在磁化等离子体中,剪切力施加在原本圆形的轨道上,会导致椭圆的主轴旋转相应的角度(角度大小与施加的磁场强度有关)。这个过程,就会导致粒子受到的应力发生相应角度的旋转。这个角度的改变,则对应着材料的奇异粘性。

而对于发生互相碰撞的粒子来说,如果粒子本身就是宇称不守恒的,那么它们碰撞则会直接带来粘性应力的改变。从而让材料,表现出奇异粘性。

除此之外,晶体中的拓扑缺陷,控制着晶体的大规模重排,也能让材料表现出奇异粘性。

奇异弹性来说,与奇异粘度具有一定的相似性。

这是研究奇异弹性,设计的相关实验:

这个图中,a(左)是经典力学实验组,a(右)是三角形晶格实验组。

b、c 是经典力学分析,力的性质是互易的。

d、e是三角形晶格中呈现出来的力学性质,非互易,表现出奇异弹性。

之所以表现出非互易特征,是因为这个三角形晶格中,化学键上存在一个应变控制的准静态循环【1→2→3→4→1】。

对于横向作用力FΦ来说,从3→4的这个过程,会化学键做功而导致更大的应变。

无论活性晶体的膨胀、压缩,还是遇到各种剪切力、单轴压缩、横波、奇异波带来的变形循环,都可能让材料获得奇异弹性。

从某种意义上来说,无论奇异粘性还是奇异弹性。

它们本身可能是微观粒子的宇称不守恒,所带来的奇异性质。

但同时,也可能仅仅只是通过集群的非互易,在宏观上表现出奇异性。实际在微观状态是完全符合守恒律的。

那么,精子究竟有没有违背牛顿第三定律?

其实,无论这篇论文,还是《Nature》上《奇怪的生物违背了力学的黄金法则》和《活性手征晶体的奇异动力学》,主要都是从流体力学和晶体层面,进行了分析。

并不涉及到,更为微观的层面的研究。

虽然在宏观层面上,包括精子在内的众多活性生命体,可以表现出违背牛顿第三定律的特征。但在微观上,并不能得出这样的结论,是未知的。

所以,从严格意义上来说,仅仅通过这些论文,我们无法得出,精子违背牛顿第三定律。

包括一些权威研究,在使用违背牛顿第三定律的概念时,其所指的,其实是局限在宏观非互易性的范畴内的,这是在特定范围和语境中才适用的。

媒体直接使用【精子运动违背牛顿第三定律】的标题,忽视了论文中的语境和范围,这是第一个问题。

另一个问题则是,媒体很明显,并不知道宏观非互易性原理,所以进行了经典力学式的描述。

然而,哪怕是奇异弹性,动能也应该是守恒的。

虽然它涉及微观的电磁效应,但并不涉及核反应,因此微观层面上,能量是守恒。

这里可以简单分析一下,晶格循环变形产生的奇异性中,所具备的能量守恒:

对于一个稳定晶格来说,它发生循环形变,本身就涉及到能量的吸收和释放,它额外做功时,自然还有能量的再次吸收。本身就需要有稳定的能量源,在维持这个变化。

对于活性生命体来说,这样的能量源实在是太多了,仅仅是稳定的体温,随时随地存在的生化反应,都可以提供稳定的能量。

但哪怕这样,也无法100%得出微观层面,一定不违背牛顿第三定律。

毕竟,你的确不知道,精子运动的时候,原子和电子层面究竟发生了什么。(但个人认为,违背的概率很低)。

媒体的最大问题,就是在不给出语境和范畴时,下了一个十分肯定的结论。

科学工作者需要反复实验、反复计算才能最终验证的结论,在他们口中犹如喝水一样的简单。

这篇论文的核心,并不是在研究或者证明,精子违背牛顿第三定律。实际是以过去研究成果中生命物质集群的非互易性作为前提条件,来分析生命物质的奇异力学性质。

虽然论文中研究了精子,但其实也涉及到其它的微生物,例如衣藻。研究重点,也是有鞭毛的微生物/细胞,在低雷诺数粘性流体中所表现出来的奇异弹性,并用力学进行了分析,通过空间傅立叶变换探讨了奇异弹性模量。

而且人家的重点,也是后面的力学分析。

其实相比起之前的《Nature》论文,这篇论文并没有非常大的突破性发现。

但因为研究了精子,瞬间就点燃了媒体的兴奋点,然后得到了大肆报道。

以上便是这篇论文的分析,花了整整一天的时间。

但哪怕这样,也仅仅只是走马观花。

相关的概念,普通人理解起来的确比较难,远远不是媒体博眼球的那么简单。

想要对非互易、奇异弹性、奇异粘度有更深度了解的,可以仔细翻看一下参考文献。

参考

  1. ^Ishimoto K, Moreau C, Yasuda K. Odd elastohydrodynamics: non-reciprocal living material in a viscous fluid[J]. arXiv preprint arXiv:2306.07162, 2023.
  2. ^Scheibner C, Souslov A, Banerjee D, et al. Odd elasticity[J]. Nature Physics, 2020, 16(4): 475-480.
  3. ^Lee T D, Yang C N. Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino[J]. Physical Review, 1957, 105(5): 1671.
  4. ^Fruchart M, Hanai R, Littlewood P B, et al. Non-reciprocal phase transitions[J]. Nature, 2021, 592(7854): 363-369.
  5. ^李政道. 对称与不对称[M]. 清华大学出版社有限公司, 2000.
  6. ^Binysh J, Souslov A. Odd living matter defies the golden rule of mechanics[J]. 2022.
  7. ^Tan T H, Mietke A, Li J, et al. Odd dynamics of living chiral crystals[J]. Nature, 2022, 607(7918): 287-293.
  8. ^Fruchart M, Scheibner C, Vitelli V. Odd viscosity and odd elasticity[J]. Annual Review of Condensed Matter Physics, 2023, 14: 471-510.

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