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埃默里大學(Emory University)的物理學家日前研究:無生命的粒子系統如何在固液體間集體轉換(collective switch),即使在恆定的環境中仍然「生機無限」?

「不得安寧」的世界──人類、昆蟲、塑膠都一樣?

你相信所有存在,無論物質還是動物都無法「靜止」下來嗎?在生命系統裡──從螢火蟲到腦神經,皆能在火光明滅之中集體轉換,而過往的研究裡並未顯示無生命系統具有此一特性。《評論物理(Physical Review Letters)》近期發佈了第一個有關動力學的實踐實驗,埃默里大學物理系助理教授波頓(Emory Burton)並未預期最簡單的系統在穩定環境中也能有持續的變化,然而事實並非如此。

 

(圖一)萬物皆動態,而我們未必能透過雙眼看到一切。Pixabay

波頓以極小的塑膠顆粒為素材研究更複雜的系統,並將其封存於充滿電離氬氣(ionized argon gas)裡,透過氣壓改變、研究粒子在這個穩定空間中興奮與自在流動的現象。而如今的發現始於波頓的學生哥奇亞(Guram Guga Gogia)一次於實驗室中,將粒子「浸潤」在等離子體(plasma)中並施以震盪擺動,他試圖降低真空室裡等離子氣體的氣壓,好讓粒子優遊自在地移動,然而卻發現粒子的移動有些奇怪。

無論在何處,當時間過去10秒至1分,粒子便會在剛性結構(rigid structure)與氣體狀態間來回轉換。研究者這樣形容:想像室溫下一盤冰塊隨時間慢慢融化,這很稀鬆平常;然而隨時間過去,冰塊又開始結冰、融化,然後結冰,這就有點令人驚訝了。波頓也發現,單一粒子無法恣意在固液體間來去自如,然而聚集一定數量(至少40個)後,系統內的轉換現象恐怕比我們想得都要廣大,無論什麼樣的存在、好像都會有這種特性。

 

(圖二)是什麼力量讓粒子可以在狀態間隨意來去,彷彿冰塊自己融了又結冰?Pixabay

最後,哥奇亞進行實驗確認並將現象量化(quantify),此一發現可作為研究非平衡系統中新興物質得簡單模組、協助解構行為的複雜性。而波頓認為在某部分的物質世界裡,這種轉換的「開關」是常態,無論天氣變化、或是人類的腦神經,沒有什麼可以好好靜下來,接下來就必須瞭解系統的開關是怎麼運作的。



新聞來源與延伸閱讀
[1] Physicists show how lifeless particles can become 'life-like' by switching behaviors, Science Daily, 2017
[2] Guram Gogia, Justin C. Burton. Emergent Bistability and Switching in a Nonequilibrium Crystal. Physical Review Letters, 119 (17) DOI: 10.1103, 2017

 
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