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(fā)現(xiàn)的第一個定律，科學(xué)家通過它們來研究假如牛頓第三定理不再組建牛頓發(fā)現(xiàn)的第一個定律，有了非互相斥力，對統(tǒng)計熱學(xué)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(nèi)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(shù)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(shù)學(xué)學(xué)基本定理，在一些非平衡情況下，它也是可以不創(chuàng)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(dāng)周圍環(huán)境參與了兩個粒子之間的互相作用（例如環(huán)境相對于兩個粒子發(fā)生聯(lián)通）時，就可能“破壞”牛頓第三定理。其實，對整個粒子與環(huán)境組成的系統(tǒng)來說，牛頓定理仍然是創(chuàng)立的。
雖然早已有無數(shù)實驗研究了有非互相斥力的粒子，但我們對這種系統(tǒng)在微觀層次上（即統(tǒng)計熱學(xué)方面）的表現(xiàn)依舊知之頗多。
在新發(fā)表于《物理評論X》（X）上的一篇研究中，Ivlev與其同學(xué)研究了不同類型的非互相斥力下系統(tǒng)的統(tǒng)計熱學(xué)特點，發(fā)覺了一些驚人的結(jié)果——比如在粒子尺度上，可能會形成極高的濕度梯度。
“我認(rèn)為我們的工作最重要的一點就是嚴(yán)格證明了有幾種本質(zhì)上的非平衡系統(tǒng)是完全可以用平衡態(tài)統(tǒng)計熱學(xué)來描述的，例如你可以導(dǎo)入一個贗喀什頓量來描述這種系統(tǒng)。”Ivlev在美國馬普地外化學(xué)研究所工作，他還告訴記者：“這可以形成一些驚人的結(jié)論，例如你可以將兩種液體混和到細(xì)致平衡態(tài)，但兩種液體各自的氣溫還不一樣。”
研究人員在實驗中實現(xiàn)的一種具有非互相斥力的系統(tǒng)，就是在等離子室中懸浮在電極上方的帶電微粒。該系統(tǒng)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(jīng)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(jié)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(xué)家還可以通過調(diào)節(jié)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(fā)覺可以‘立即投入應(yīng)用’，起碼在數(shù)學(xué)領(lǐng)域是這樣的，”Ivlev說，“但此次我非常確信，我們的實驗結(jié)果會幫助你們更進(jìn)一步地理解個別非平衡系統(tǒng)。有好多天差地別的非平衡系統(tǒng)，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(tài)統(tǒng)計熱學(xué)能夠找到一種新的對稱性，來描述這類系統(tǒng)?！?span style="display:none">LdU物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
雖然這一等離子體實驗描述的是二維系統(tǒng)中的斥力-反斥力對稱性破缺，在三維系統(tǒng)中也能發(fā)生類似的現(xiàn)象?？茖W(xué)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(xiàn)象，她們希望在將來能展開進(jìn)一步研究。
“我們當(dāng)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(tǒng)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(xiàn)象，如動態(tài)降維、斑圖產(chǎn)生、相分離，等等，研究結(jié)果可能會有一些有趣的應(yīng)用。而另一個方向則是純基礎(chǔ)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(tǒng)，應(yīng)該如何去研究？我希望在不久的將來能夠找到答案?！?span style="display:none">LdU物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
