Il lavoro si basa sulla fisica dei materiali e ha simulato le condizioni che causano un cambiamento improvviso da una condizione caotica a una organizzata negli “agenti autotrascinati”, come quelli biologici. Julien Tailleur del MIT Biophysics, uno degli autori dello studio, spiega: “In un certo senso, gli uccelli sono atomi volanti”. Nonostante possa sembrare strano, la ricerca dimostra numerose somiglianze tra i sistemi fisici delle particelle e i movimenti collettivi di esseri umani o uccelli.
Una differenza cruciale per i fisici riguarda il concetto di distanza. Mentre le particelle in uno spazio influenzano principalmente l’una l’altra basandosi sulla loro distanza reciproca, per gli elementi biologici la distanza assoluta è meno rilevante. Ad esempio, un piccione in volo all’interno di uno stormo non è tanto influenzato dai piccioni più vicini quanto da quelli che riesce effettivamente a vedere. Questo pone il piccione in una relazione “topologica” con altri piccioni; due uccelli potrebbero trovarsi a una grande distanza fisica ma essere comunque in contatto visivo e influenzarsi reciprocamente.
Il modello utilizzato nello studio si ispira al comportamento dei materiali ferromagnetici. A temperature elevate o bassa densità, gli spin (direzione del momento magnetico associata agli elettroni) sono orientati casualmente a causa delle grandi fluttuazioni termiche risultando quindi disordinati. Tuttavia, a basse temperature e alta densità le interazioni tra gli spin dominano sulle fluttuazioni permettendo l’emergere di un orientamento globale degli spin.
Hugues Chaté aveva ipotizzato vent’anni fa che se gli spin si muovessero nella direzione verso cui puntano potrebbero ordinarsi attraverso una transizione di fase discontinua con la comparsa improvvisa di grandi gruppi di spin mossi insieme, analogamente agli stormi d’uccelli nel cielo.
Recentemente è stato dimostrato nel modello utilizzato nello studio attuale che anche quando viene usata la relazione topologica invece della distanza si osserva una transizione discontinua; questo scenario dovrebbe applicarsi universalmente ai modelli simili.
Un’altra scoperta importante è stata quella dei flussi stratificati all’interno del gruppo più ampio; fenomeno osservabile anche nella realtà dove raramente un grande gruppo umano si muove tutto insieme nella stessa direzione ma piuttosto vediamo al suo interno movimenti distintivi seguiti da diversi sottogruppi con traiettorie leggermente differenti.
Queste scoperte aprono nuove prospettive per comprendere meglio i movimenti collettivi biologici attraverso modellistica statistica ispirata alla fisica delle particelle.