海因里希·海涅大学Düsseldorf (HHU)的一个研究团队与达姆施漂移外挂塔特工业大学(TU Darmstadt)和位于加兴(Garching)的MPI合作，研究了交流活性粒子的群体动力学。这些粒子始终专注于自我优化。他们总是努力保持自己的舒适，同时也帮助其他小组成员。正如研究人员在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上描述的那样，这种自我优化是一种常见的多体现象，可以发生在企鹅和细菌身上。
企鹅们在南极与寒冷作斗争，为了互相取暖而聚在一起。但如果它们站得太近，就会过热。因此，只要企鹅之间保持一定距离，但又不能太小，就能达到一个理想的温度。每只企鹅的行为都是为了自己的利益，它们精确地朝着气温上升或下降最大的方向移动。
这是一个多体系统的例子，交流活动粒子或“互动主体”。来自哈佛大学、达姆施塔特技术大学和加兴马普地外物理研究所的研究人员想要更好地理解如何描述这些多体系统，因为许多其他系统可能使用类似的自我优化原则。
该团队与第一作者、哈佛大学理论物理研究所的亚历山德拉·赞佩塔基博士合作，现在他们发现，正是这种个人利益为整个群体创造了一个理想的区域，在那里所有的企鹅都有完美的温度。
物理学家们使用了一种全新的活性粒子模型，这种模型可以自我指导粒子的运动方向。粒子通过感知一种共同可用的资源来相互通信，这种资源可以被抽象地描述为所谓的“标量场”——例如温度场。场的作用是粒子朝最有利于它们达到理想状态的方向运动。
研究人员还发现，与磁场的相互作用会自动导致粒子之间所谓的“三体力”或“三态力”。虽然自然界中所有的基本力——如万有引力和电磁库仑力——都是粒子对之间的一对力，但只有当三通比斗牛个粒子同时存在时，三态力才会发生。这些三重力是理解沟通的活跃粒子的集体动力学的关键。
“几乎所有的物理基本定律都可以被描述为一个最小化问题，例如总能量变得最小，”哈佛大学研究院院长Hartmut博士L?wen解释说。“相比之下，在我们检查的系统中没有最小化。相反，我们需要进行优化，以达到一个理想的区域。”这就允许了一种内部的群体动态，尽管受到自身利益的驱使，但最终对所有人都有利。这种行为导致了一种有序的、非周期性的结构，在这种结构中，邻居更少的个体靠得更近，彼此取暖——就像企鹅一样。
达姆施塔特大学的Benno Liebchen教授补充道:“企鹅之间通过共同创造的领域的互动让人想起了多少微生物在交流。”例如，消耗氧气的细菌在原则上可以使用类似的优化原则来获得最佳氧气浓度，而无需协调它们的行为。”
Zampetaki博士总结道:“我们发现的优化原理在物理学和生物学之间架起了一座桥梁，并展示了如何对简单的交流规则进行定量建模，从而导致基于普通配对互动无法实现的现象。”
A. V. Zampetaki, B. Liebchen, A. V. Ivlev, H. L?wen，通讯活性粒子的集体自我优化，出现在PNAS中。
DOI: 10.1073 / pnas.2111142118