Neue Erkenntnisse über Symmetriebrechung
Das Lorentz-Theorem kann das Verhalten eines Mikroschwimmers mit komplexer Form (links) mit dem eines unbewegten Objekts derselben Geometrie mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften (rechts) verbinden.
© MPI-DS / LMP
Das Lorentz-Theorem lässt sich nun auch auf Flüssigkeiten mit gebrochenen Symmetrien anwenden.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) in Göttingen haben einen Weg gefunden, diesen klassischen Lehrsatz auf Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität auszuweiten. Ihre Entdeckung eröffnet einen neuen Weg zur Erforschung von Systemen mit gebrochener Symmetrie.
Symmetrien sind für die Physik von grundlegender Bedeutung. Im Allgemeinen gilt ein physikalischer Prozess als symmetrisch, wenn er spiegelbildlich oder zeitlich umgekehrt identisch erscheint. In der Hydrodynamik bedeutet dies, dass die Strömung um ein bewegtes Objekt auch bei umgekehrter Bewegungsrichtung identisch ist. Die Unveränderlichkeit der Strömungslinien bewirkt, dass die Kraft auf das Objekt bei der Bewegungsumkehr ebenfalls gleichbleibt. Dies wird durch das Lorentz-Theorem beschrieben, das es so den Forschern ermöglicht, komplexe Probleme der Strömungsdynamik zu lösen.
Manche Systeme weisen jedoch gebrochene Symmetrien auf, was zu einer sogenannten ungeraden Viskosität des Fluids führt. Hier konnte das Lorentz-Theorem bisher nicht angewendet werden. Die Wissenschaftler Yuto Hosaka, Ramin Golestanian und Andrej Vilfan von der Abteilung Physik der lebenden Materie am MPI-DS haben nun neue Erkenntnisse über solche Systeme mit gebrochenen Symmetrien gewonnen. „Wir haben einen Weg gefunden, die Einschränkungen dieses Theorems zu umgehen und es auch auf ungerade Viskosität zu erweitern“, berichtet Yuto Hosaka, Erstautor der Studie. „Unsere Verallgemeinerung eröffnet eine breite Palette analytischer Berechnungen für Flüssigkeiten, einschließlich selbstangetriebener Mikroorganismen in lebenden Systemen“, fährt er fort.
Neue Anwendungen des reziproken Lorentz-Theorems
Die Forscher nutzten ihre neuen Erkenntnisse, um das Verhalten von verschiedenen Mikroschwimmern zu analysieren. Dank ihrer Verallgemeinerung kann das Lorentz-Theorem das Verhalten von sich bewegenden Mikroschwimmern unbewegten Objekten der gleichen Geometrie bei ungeraden Viskositäten in Verbindung bringen.
Diese Anwendung ist jedoch nicht auf die Hydrodynamik von Mikroschwimmern beschränkt: „Da verwandte reziproke Theoreme in vielen Bereichen der Physik existieren, gibt unsere Arbeit den Forschern ein neues Werkzeug zur Erforschung von Systemen mit gebrochenen Symmetrien an die Hand“, schließt Hosaka.
Originalpublikation:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.178303
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