Активные системы представляют собой совокупности частиц или объектов, способных самостоятельно преобразовывать внутреннюю или внешнюю энергию в направленное движение. В отличие от пассивных систем, такие системы находятся постоянно вне термодинамического равновесия, что приводит к возникновению уникальных коллективных явлений, не наблюдаемых в классической статистической физике.
Ключевой особенностью активных систем является самоорганизация: частицы взаимодействуют между собой через механические, химические или информационные сигналы, что приводит к координированным движениям и возникновению масштабных структур.
Флокинг и коллективное движение Флокинг (от англ. flocking) — явление, при котором отдельные активные частицы формируют упорядоченные группы, движущиеся в одном направлении. Модель Викселера является классической теоретической основой для описания этого процесса. Она базируется на трех основных правилах:
В результате возникает спонтанная локальная или глобальная координация движения, сопровождающаяся появлением плотностных и скоростных корреляций на больших масштабах.
Механическая сцепка и вихреобразование В активных жидкостях и суспензиях микроорганизмов наблюдаются вихревые структуры, напоминающие турбулентные потоки, но с характерными особенностями, обусловленными активной природой частиц. Эти вихри проявляют себя на масштабах, намного превышающих размеры отдельных частиц, и формируют динамические кластеры с высокой упорядоченностью.
Миграционные кластеры и фазовые разделения Активные частицы могут демонстрировать мотильное фазовое разделение — явление, при котором частицы самопроизвольно разделяются на плотные, медленно движущиеся кластеры и разреженные, быстро движущиеся области. Этот эффект возникает даже при чисто репульсивных взаимодействиях между частицами и отражает фундаментальные механизмы самоорганизации в системах, находящихся вне равновесия.
Для описания коллективных эффектов применяются различные подходы:
Микроскопические модели Определяют динамику отдельных частиц с учетом локальных правил взаимодействия и шума. Классическими примерами являются:
Кинетические подходы Используют уравнения типа Фоккера–Планка для плотности распределения частиц по положению и ориентации. Это позволяет описывать переходы между упорядоченными и неупорядоченными фазами, а также оценивать макроскопические величины, такие как плотность и скорость потока.
Гидродинамические модели На макроскопическом уровне коллективные эффекты описываются через поля плотности и скорости. Гидродинамические уравнения активных сред включают нелинейные члены, отвечающие за активный вклад в напряжения и потоки. Эти уравнения успешно моделируют флокинг, вихревое поведение и фазовое разделение.
Коллективные эффекты активных систем важны для разработки смарт-материалов, микро- и нанороботов, а также для понимания процессов транспортировки и самоорганизации в биологических средах. Исследование этих явлений открывает новые пути управления динамикой больших ансамблей частиц, включая возможность создания самоорганизующихся структур и активных жидкостей с заданными свойствами.
Активная физика продолжает развиваться как междисциплинарная область, объединяющая физику, биологию и материалы науки, с особым акцентом на неравновесные процессы и коллективное поведение.