空を見上げるとハトやコウモリなどが群れを成して秩序だった集団行動をしている場面を目にする機会もあるだろう。
とても神秘に満ちた光景だ。それは海の中でも同様。例えばイワシ、ハンマーヘッドシャークなどの群れをスキューバダイビング中や映像などで目にする機会もあるだろう。これらの大群が、一斉に方向転換する光景などは美しさや不思議さも感じる。
この生物で見られる大群の集団行動は、実は原子の世界でも見られるという。今回は、そんな話題について触れたいと思う。
小さな原子の世界でも起こる集団行動
2022年7月4日、理化学研究所の足立景亮基礎科学特別研究員は、「原子も群れをつくって集団行動」というタイトルの記事において、興味深い話をされている。それは、生物が見せる大群の集団行動が、実は、我々の細胞などの小さな世界やさらに小さな原子の世界でも起こりうることを、コンピュータによるシミュレーションで理論的に確認したというものだ。
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理化学研究所の足立景亮基礎科学特別研究員(提供:理化学研究所)
では、なぜ、そして、どのようにして、数千から数万という数の鳥や魚は秩序だった集団行動をとることができるのだろうか。
足立研究員は、次のように語っている。
それは、個体同士の距離が近くなることで相互作用が強くなり、一種の相転移が起こったためだと。足立研究員によると、それは「アクティブマター」という。鳥や魚そして細胞は、自分の力で動くことができる“自己駆動”の能力と、周囲と“相互作用“する能力の両方を併せ持っている。その状態をアクティブマターと呼ぶという。
それまでバラバラに動いていた個体同士の距離が近くなることで相互作用が強くなり、その結果、一種の相転移が起こると解釈できるのだ。
ちなみに、相転移という表現は難しく感じるかもしれないが、身近に確認することができる事象だ。例えば、氷の温度が上がるにつれて水の液体へと変化する現象だ。集団を構成する要素同士の相互作用の大きさが変化することによって引き起こされている。
足立研究員は、コンピュータシュミレーションを実施。原子の世界のアクティブマターとして「ハードコアボソン」と呼ばれる粒子を考え、古典力学の理論モデルをもとに、量子力学の理論モデルを構築。その結果、粒子の運動エネルギーや粒子同士の相互作用の大きさを変えることで、多くの粒子が一定方向に一斉に向きを変える、凝集するといったアクティブマター特有の集団行動を確認したのだ。
この発見は、集団行動に関する普遍的な原理が古典力学と量子力学に共通して存在することを示唆しているという。
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粒子の運動エネルギーと粒子間の相互作用によって引き起こされる集団行動(提供:理化学研究所)
いかがだっただろうか。足立研究員は、今後もこのような研究を通じて古典力学と量子力学の架け橋になるような研究領域の確立を目指したいという。とても興味深い研究だ。
出典
