Законы физики выполняются не всегда. К такому выводу пришли физики из Объединённого института высоких температур РАН и МФТИ совместно с американскими коллегами. Ученые исследовали систему взаимодействующих частиц, для которых формально не выполняется третий закон Ньютона.

«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», — поясняет Евгений Лисин, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН.

Такая система с несимметричным взаимодействием частиц известна ученым еще с конца 90-х годов прошлого века. Тогда в Германии исследователи рассматривали поведение пылевых частиц в газоразрядной плазме, воздействуя на них лазером по очереди. Было выяснено, что частицы откликаются по-разному в зависимости от их расположения в системе.

Несмотря на богатую теоретическую базу по этой теме, по-прежнему не удавалось измерить силу межчастичного взаимодействия и определить степень нарушения симметрии в зависимости от условий среды. Ученые ОИВТ РАН и МФТИ нашли решение этой давней проблемы. Предложенный исследователями оригинальный спектральный метод измерения учитывает случайные и диссипативные процессы в системе. Он не требует усложнения экспериментальной установки, предварительных измерений внешних полей и каких-либо предположений о типе изучаемого взаимодействия.

В ходе экспериментов создавалось мощное электрическое поле разряда, где заряженные частицы могли левитировать. Наличие сильного электрического поля приводило к формированию направленного потока ионов. Таким образом заряженные микрочастицы образовывали за собой ионный кильватерный след, похожий на след от быстро идущего по воде корабля.

В результате на микрочастицу, находящуюся в кильватерном следе второй частицы, помимо силы отталкивания от второй частицы, действовала также сила притяжения к её следу, и симметрия взаимодействия между микрочастицами в плазменной среде нарушалась.

Изучение дисперсных систем с нарушенной симметрией межчастичного взаимодействия — относительно новая область исследований, которая активно развивается последние несколько лет. Полученные результаты открывают новые перспективы этого направления.