Ловушка муравьиного льва оказалась эффективной только для насекомых среднего веса
Коллектив физиков из нескольких французских университетов теоретически и экспериментально описал, почему только муравьи средней массы попадаются в ловушки муравьиного льва, тогда как более легкие или более тяжелые насекомые чаще выбираются из нее. Оказалось, что шансы муравьев на выживание зависят от того, хватает ли их веса, чтобы оставить след на склоне ловушки: совсем легкие муравьи не оставляют следов, поэтому склон не осыпается, а очень тяжелые насекомые оставляют слишком глубокий след, который служит для них ступенькой и не дает съезжать вниз. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Ловушки на муравьев, мелких насекомых и пауков строят личинки из семейства Myrmeleontidae — муравьиные львы. Для этого они вырывают воронку в песке, а сами закапывается в ее центре и ждут добычи, выставив наружу только челюсти. С точки зрения физики эта ловушка очень хитро устроена: ее склон сформирован под углом, близким к углу схода (avalanche angle), поэтому даже малейшее возмущение на поверхности приводит к осыпанию склона. Это возмущение и вызывают муравьи, когда попадают на склон воронки, это наглядно представлено в фильме BBC, отрывок из которого опубликован ниже. Атака на муравья начинается с 1:56.
Однако экспериментально известно, что вероятность попасть в ловушку сильно варьируется среди различных видов муравьев и других насекомых, причем существует явная и нелинейная зависимость между вероятностью скатиться вниз и массой. Такое поведение идет вразрез с законом Амонтона-Кулона, согласно которому сила трения (которая удерживает животное на склоне) и давление на поверхность связаны линейно.
В качестве опорной точки нового исследования французские ученые экспериментально построили диаграму устойчивости тел на склоне. Для этого авторы наклоняли коробку со стеклянными крупинками разного размера на угол, близкий к углу схода. После этого на склон помещали металлические диски разной массы и площади и в серии измерений оценивали вероятность того, что определенный диск скатится вниз по всей длине склона (около 30 сантиметров).
Полученная диаграма вероятности схода от угла и давления диска на склон (отношение веса к площади) подтверждала зависимость, известную для муравьев. Чем меньше был угол наклона по сравнению с углом схода, тем меньше была общая вероятность соскальзывания. Однако для малых отклонений от угла схода наблюдалась та самая нелинейная картина: соскальзывали только диски среднего веса (со средним давлением на склон), тогда как легкие и тяжелые были устойчивыми.
Авторы проанализировали поведение дисков на плоском песчаном грунте и пришли к выводу, что необычные данные объясняются следами, которые объекты разной массы оставляют на песке. Совсем легкие диски едва продавливали грунт, чего было недостаточно для того, чтобы вызвать осыпание склона. Тяжелые объекты же глубоко погружались в песок, поэтому даже в случае обвала они не скатывались в центр воронки: их удерживали собственные следы. Только диски средней массы почти гарантированно скатывались вниз: они были достаточно тяжелыми, чтобы вызвать обвал, но оставляли недостаточно глубокие следы, чтобы за них уцепиться.
Количественно диаграмму удалось описать при помощи теоретических оценок двух пороговых значений давлений: того, при котором начинался обвал, и того, при котором сопротивления получившегося «следа» достаточно, чтобы удержать объект от скатывания. Авторы отмечают, что подобные исследования проводились и раньше, однако предшественники использовали слишком большие соотношения весов, площадей и размера песчаных крупинок, чтобы уловить нелинейную зависимость. Ученые надеются, что новые данные помогут описать поведение животных на осыпающихся склонах, а также, возможно, пригодятся в робототехнике при изучении движения по песку.
Гранулярные среды вроде песка представляют собой очень необычный объект с точки зрения физики. Они в чем-то напоминают жидкость, например, проявляют
, но с другой стороны ведут себя как твердые тела. Некоторые муравьи этим успешно
для прыжков на расстояния до 20 сантиметров, например, чтобы убежать от того же муравьиного льва. Подобно твердым телам, в гранулярных средах удалось описать «
», возникающие за счет падения массивного тела. А отдельной инженерной задачей является контроль движения на песчаных поверхностях, например, на Марсе. Недавно исследователям удалось подробно
, как принципы движения на песке масштабируются от небольших экспериментальных объектов к реальными прототипам вроде марсохода.
Тарас Молотилин
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».