Рис. Экспериментальные результаты движения вверх и вниз по потоку. Источник: Physical Review A (2026). DOI: 10.1103/lwyj-7m5f

Материя не находится в равновесии, когда она активно создает силу, противодействующую движению, например, моторная лодка, движущаяся вверх по реке. Третий закон движения Ньютона гласит, что на каждое действие существует равное и противоположное противодействие. Это также известно как симметрия действия и противодействия.

Симметрия действия-противодействия не нарушается просто потому, что что-то находится вне равновесия, но эта симметрия может быть нарушена, когда частицы проявляют нереципрокные взаимодействия. В таких взаимодействиях один объект влияет на другой иначе, чем другой влияет на него. В нереципрокных взаимодействиях внутренние взаимодействия могут преобразовываться в суммарный импульс.

Ученые предположили, что эти необычные взаимодействия могут создавать активное поведение в квантовоподобных системах. Движение против потока было продемонстрировано в предыдущих экспериментах, но механизм включал в себя отрыв вихрей, который передает суммарный импульс отдачи против потока и при этом подчиняется третьему закону Ньютона. Новое исследование — первое, в котором используются нереципрокные взаимодействия, нарушающие симметрию действия-противодействия.

Учёные объединили теоретический анализ рассеяния, компьютерное моделирование и лабораторные эксперименты. Они направили два лазерных луча с заданным временем импульса через нелинейный кристалл, один из которых представлял собой жидкость, а другой — "пловца". Наклоняя луч жидкости, удалось контролировать направление и скорость его поперечного потока. Узкий лазерный луч, выступающий в роли "пловца", двигался в направлении, противоположном потоку более широкой оптической жидкости. В обычной схеме с обратным движением луч, напротив, двигался вниз по потоку, обеспечивая прямое сравнение.

Пловец стремится изменить форму жидкости, проходя через нее асимметрично, что, в свою очередь, оказывает на пловца силу, противоположную направлению потока жидкости. Этот нелогичный процесс обусловлен невзаимностью их взаимных взаимодействий, что приводит к обратному отскоку по сравнению с отскоком в равновесных системах.

Движение против течения обусловлено асимметричным распределением жидкости, вызванным пловцом. Интенсивность потока жидкости с одной стороны от пловца выше, чем с другой. Регулируя скорость и плотность жидкости, физики обнаружили, что движение против течения было наиболее сильным при промежуточных значениях скорости и плотности жидкости, а не при самых высоких или самых низких значениях.

В экспериментах использовался оптический аналог квантовой жидкости, а не демонстрация с применением материальных квантовых жидкостей, таких как ультрахолодные атомы или жидкий гелий. Однако исследование предлагает экспериментальную площадку для изучения поведения, подобного активным процессам, при нереципрокных взаимодействиях. В будущих исследованиях можно было бы проверить, наблюдаются ли аналогичные эффекты на других квантовых платформах, таких как атомные газы или искусственно созданные квантовые материалы.