牛頓第三定理不存在的世界是哪些樣的？
在最新的實驗中，兩層微粒子以不同的高度漂浮在電極的上方牛頓發現的第一個定律，科學家通過它們來研究假如牛頓第三定理不再組建牛頓發現的第一個定律，有了非互相斥力，對統計熱學將有何影響。圖片來源：A.V.Ivlev,etal.CC-BY-3.0
或許有人不曉得“牛頓第三定理”是哪些，但每位人都很熟悉它的內容：每位力都有與它大小相等、方向相反的反斥力。這一定理在日常生活的好多情況下都能彰顯，例如走路：我們的腳向后推一下地面，地面還會形成一個大小相等的往前推力。牛頓第三定理在理解與研制車輛、飛機、火箭、船舶等技術上也有著不可或缺的作用。
但是，雖然牛頓第三定理被看作一條數學學基本定理，在一些非平衡情況下，它也是可以不創立的。假如兩個物體或粒子違背了牛頓第三定理，它們之間的互相作用就被稱為“非互相斥力”（）。當周圍環境參與了兩個粒子之間的互相作用（例如環境相對于兩個粒子發生聯通）時，就可能“破壞”牛頓第三定理。其實，對整個粒子與環境組成的系統來說，牛頓定理仍然是創立的。
雖然早已有無數實驗研究了有非互相斥力的粒子，但我們對這種系統在微觀層次上（即統計熱學方面）的表現依舊知之頗多。
在新發表于《物理評論X》（X）上的一篇研究中，Ivlev與其同學研究了不同類型的非互相斥力下系統的統計熱學特點，發覺了一些驚人的結果——比如在粒子尺度上，可能會形成極高的濕度梯度。
“我認為我們的工作最重要的一點就是嚴格證明了有幾種本質上的非平衡系統是完全可以用平衡態統計熱學來描述的，例如你可以導入一個贗喀什頓量來描述這種系統。”Ivlev在美國馬普地外化學研究所工作，他還告訴記者：“這可以形成一些驚人的結論，例如你可以將兩種液體混和到細致平衡態，但兩種液體各自的氣溫還不一樣。”
研究人員在實驗中實現的一種具有非互相斥力的系統，就是在等離子室中懸浮在電極上方的帶電微粒。該系統有兩種不同類型的微粒，它們的大小和密度都不相同，因此漂浮的高度也不同。室中的電場帶來垂直方向的等離子體流，而帶電微粒會把經過它的等離子流凝聚到一起，在“下游”形成附著在它頭上的等離子體尾流。
雖然由兩層顆粒之間的直接互相作用形成的作用力是互相的，但一層顆粒與另一層顆粒的尾流之間的吸引力不是互相的，也就是說并非大小相等方向相反。這是由于靜電力隨著距離降低而降低，而這兩層顆粒高度不同，每位顆粒與對方的尾流之寬度離并不相同。結果就是，上層顆粒對下層顆粒的合斥力，要小于下層顆粒對上層顆粒施加的合斥力。這樣一來，下層顆粒的平均動能（也就是體溫）就低于上層顆粒。科學家還可以通過調節電場的大小降低兩層顆粒之間的高度差，因而降低體溫差。
“我這個人吧，一般不會輕易地說那個發覺可以‘立即投入應用’，起碼在數學領域是這樣的，”Ivlev說，“但此次我非常確信，我們的實驗結果會幫助你們更進一步地理解個別非平衡系統。有好多天差地別的非平衡系統，它們中粒子的作用都不遵循斥力與反斥力的對稱性，但我們證明，用教科書中的平衡態統計熱學能夠找到一種新的對稱性，來描述這類系統。”
雖然這一等離子體實驗描述的是二維系統中的斥力-反斥力對稱性破缺，在三維系統中也能發生類似的現象。科學家覺得，不管是二維還是三維的對稱性破缺，就會帶來不尋常的奇特現象，她們希望在將來能展開進一步研究。
“我們當前的研究主要集中在以下幾個方面：一是過減振膠體漂浮系統中的斥力-反斥力對稱破缺，這些非互相斥力引起了多種多樣的自組織現象，如動態降維、斑圖產生、相分離，等等，研究結果可能會有一些有趣的應用。而另一個方向則是純基礎性的研究：對于這些越來越艱深的、可以用贗伊寧頓量（-）描述的‘近伊寧頓’非互相性系統，應該如何去研究？我希望在不久的將來能夠找到答案。”
