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Sandbox Physics
活性物质 · 边学边做实验

L1 · 第 1 章

会游泳的粒子记得自己朝哪儿走

它会沿着原来的方向多走一会儿。被动微粒只受周围分子的随机碰撞,自推进粒子却在不停地“划水”;只要方向还没乱,前后两步就会接得上。能量让它动起来,转弯决定它究竟能走多远。

先看一小段轨迹

把水里一粒微尘放大,你会看到它抖来抖去。水分子从四面八方撞它,这种不规则运动叫布朗运动。会自己游的微粒也会抖,但它还多做了一件事:朝身体前方持续用力。可以把它想成一艘方向盘慢慢跑偏的小船。

刚开始,小船几乎直着走。看久一点,轨迹弯了,绕回来了,还可能穿过自己走过的地方。只拍一张照片,很难区分这艘小船和一粒被动微尘;拍一小段视频,区别就出来了:下一步是否还接着上一步的方向?

活性物质里的“活性”,说的是组成单元不断把输入能量变成运动。把一杯水加热,也能让被动微粒散得更快,却不会让每粒微尘都记住一个朝向。研究游动,我们还得把这个朝向记下来。

记忆能换成一段路程

给每个粒子起初的朝向做个记号,过一会儿再看它现在朝哪儿。等到新方向和旧方向大多不再相关,我们就说过了一个持续时间。用自由游动速度乘上这段时间,得到持续长度,也就是一次方向记忆大致能换来的路程。

持续长度若有十个身长,粒子遇到一小群同伴,可能还没怎么转弯就穿过去了。换成很大的一群,它可能还没出来就转了好几次。判断一次拥堵能维持多久,要把粒子的身长和这段持续长度放在一起看。

ℓp=v0τ\ell_{\mathrm p}=v_0\tau

完整例题

算一算一次游动能走多远

设一个理想平面游动粒子每秒游 2 微米,约 3 秒后忘掉原先的方向。它的持续长度就是 6 微米。只拍十分之一秒,许多轨迹看起来接近直线;连续拍一分钟,每条轨迹都已经拐了很多次。

现在让速度加倍,转弯方式保持原样。每次近乎直行的路程加倍,路程的平方就变成四倍,长时间的活性扩散也会增强四倍。若速度不变,只把记住方向的时间加倍,活性扩散则增强两倍。后面遇到团簇时,我们就用这两个操作来分辨原因。

平均位置没动,粒子也可以越散越开

让许多粒子从同一点出发,起初朝向均匀分布。往左和往右的位移相抵,平均位置可能还在原点,可每个粒子早已游远。要看它们散开多少,应当先把每个粒子离起点的距离平方,再求平均。

自由游动时,自推进对这个平均值的贡献起初随时间平方增长,随后大致随时间直线增长;普通位置扩散另外贡献随时间线性增长的一项。活性部分的前一段保留方向记忆,后一段累积许多朝向不同的游动。等我们加入拥挤、边界和相互作用,轨迹会离开这条参考曲线;先认识自由运动,才知道后来改变了什么。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 记住方向的时间缩短,哪一条轨迹会更早弯起来?先作预测。
  2. 选择“一路直游”,固定速度,调低“记住方向的时间”,观察拖尾。
  3. 用持续长度解释:为什么粒子一直在游,拖尾却变短、变卷了?

这些 Lab 生成粒子或连续场的合成记录,页面模型说明列出实际动力学和单位。

试着自己解释

1. 两个粒子速度相同,其中一个记住方向的时间长一倍。谁在一次典型转弯前走得更远?

展开答案与解释

记忆更久的粒子走得更远,持续长度长一倍。这里比较的是转弯前的典型路程。

2. 一群粒子的平均位置没动,能说明它们没有扩散吗?

展开答案与解释

不能。相反方向的位移会互相抵消。先把各自位移平方再平均,才能看见分布正在变宽。

可以放在旁边读的来源

  1. Cates & Tailleur, Motility-Induced Phase Separation, arXiv:1406.3533v1 (2014); Annual Review of Condensed Matter Physics 6 (2015)

    第 2–4 节讨论方向持续性、慢速区积聚和局域密度失稳。课程里的数值例题从写明的假设自行推导。

  2. Howse et al., Self-Motile Colloidal Particles: From Directed Propulsion to Random Walk, Physical Review Letters 99, 048102 (2007)

    为短时定向、长时扩散提供实验背景。课程数值为理想例题,不是从论文提取的测量。

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