Pourquoi les oiseaux défient Newton : une nouvelle théorie pourrait améliorer les modèles de vols, de foules et de cellules

Le défi des interactions non réciproques dans la nature

Dans de nombreux systèmes collectifs, les éléments individuels réagissent à une fraction seulement de leur environnement, défiant en apparence les principes fondamentaux de la mécanique. Selon un rapport rédigé par Katja Lesser pour le Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster, ce phénomène s’observe aussi bien chez les oiseaux en vol que dans les colonies de bactéries ou les cellules tissulaires.

Ces dynamiques particulières engendrent ce que les scientifiques nomment des interactions non réciproques. Dans ces configurations spécifiques, la fameuse troisième loi du mouvement formulée par Isaac Newton, stipulant que toute action entraîne une réaction équivalente, semble ne plus s’appliquer de manière classique, rendant les observations difficiles à quantifier mathématiquement.

Toutefois, une avancée majeure vient d’être réalisée par une équipe de physiciens basée à Dresde, en collaboration avec Roderich Moessner, membre fondateur du pôle d’excellence Würzburg-Dresden ctd.qmat. Leurs travaux, publiés dans la revue scientifique Nature Physics, présentent une nouvelle théorie permettant de décrire ces interactions de manière efficace et de les simuler avec une précision inédite.

La troisième loi de Newton confrontée au monde biologique

Vielle de plus de trois cents ans, la troisième loi de Newton constitue l’une des pierres angulaires de la mécanique classique. Le principe d’action et de réaction se résume souvent par la formule voulant que pour chaque action, il y ait une réaction égale et opposée. Ce mécanisme se vérifie dans de multiples actions du quotidien, comme courir, sauter, ramer ou conduire une voiture. Par exemple, lorsqu’un coureur s’élance, ses pieds poussent contre le sol et la terre repousse avec une force identique mais dans le sens inverse. De même, lorsqu’un ballon de baudruche se dégonfle, l’air expulsé vers l’arrière propulse l’objet vers l’avant.

« Tout ce que nous enseignons normalement à nos étudiants en mécanique théorique repose en fin de compte sur le principe d’action-réaction », explique le chef de groupe de recherche Marín Bukov, soulignant l’importance historique et pratique de ce fondement physique.

Pourtant, le monde animal et biologique déroge fréquemment à cette règle. Les oiseaux bénéficient d’un large champ de vision, mais au sein d’une nuée, ils s’orientent exclusivement en fonction de leurs congénères situés devant ou à côté d’eux. Puisqu’un oiseau ne s’aligne jamais sur un individu situé derrière lui, l’interaction devient unidirectionnelle. Les bancs de poissons, les essaims de bactéries, les foules humaines ou les cellules tissulaires présentent des comportements similaires, rendant caduque l’égalité entre l’action et la réaction dans ce contexte précis.

Une solution mathématique venue de Dresde

Jusqu’à présent, les théories classiques développées pour les interactions réciproques échouaient à décrire pleinement ces systèmes exceptionnels. Cette lacune empêchait les chercheurs de simuler efficacement ces processus, une étape pourtant essentielle pour étudier de manière approfondie les mouvements au sein du corps humain ou les déplacements des essaims animaux. Le pôle de Dresde, dirigé par Roderich Moessner, par ailleurs chercheur principal du pôle d’excellence Würzburg-Dresden ctd.qmat (Complexité, Topologie et Dynamique de la Matière Quantique) et directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes, a permis de combler ce vide scientifique.

« L’équipe de recherche a développé et prouvé une théorie qui rend une grande partie de ce que nous enseignons à nos étudiants applicable également aux systèmes non réciproques. Ces systèmes, où la troisième loi de Newton ne s’applique pas, peuvent maintenant enfin être décrits exactement et simulés précisément, même en utilisant des méthodes établies. C’est exactement le genre d’outil qui a manqué ces dernières années », déclare Marín Bukov pour résumer l’ampleur de la découverte.

Pour aboutir à ce résultat, le groupe de chercheurs a dû repenser de fond en comble le cadre théorique originel. L’innovation majeure réside dans l’expansion du modèle d’action-réaction grâce à l’intégration de variables mathématiques artificielles, conçues spécialement pour adapter les outils de la physique classique aux environnements unidirectionnels.

L’introduction de partenaires fictifs pour résoudre l’équation

La modélisation de la nature passe généralement par la création d’équations complexes. Dans ces formules, chaque variable décrit un degré de liberté ayant une existence réelle, qu’il s’agisse de la position ou de la vitesse d’un oiseau, de l’emplacement d’un poisson dans son banc ou de la place d’une voiture dans la circulation routière. L’équipe de Dresde a choisi de bouleverser cette approche littérale pour contourner l’obstacle des interactions non réciproques.

« L’astuce derrière la nouvelle théorie est qu’elle construit un partenaire pour chaque composant du système, un partenaire fictif qui n’existe pas dans la nature. Les interactions non réciproques originales sont remplacées par des interactions réciproques avec ces degrés de liberté auxiliaires », explique le biophysicien Ricard Alert, collègue de Marín Bukov au sein du projet.

Concrètement, cette méthodologie offre des résultats surprenants lorsqu’elle est appliquée à un vol d’oiseaux. « Pour simuler précisément les mouvements des oiseaux, nous décrivons le système dynamique ‘nuée d’oiseaux’ en utilisant des méthodes établies, comme s’il s’agissait d’un système réciproque, même s’il ne l’est pas. La solution élégante consiste à placer artificiellement un oiseau fictif devant chaque oiseau réel, aligné dans la direction exactement opposée », déclare Ricard Alert. Cette astuce mathématique rétablit artificiellement l’équilibre de Newton au sein de la simulation algorithmique.

Perspectives futures et implications pour la matière quantique

L’intégration de degrés de liberté auxiliaires n’est pas une pratique totalement inédite dans l’histoire de la physique. Cependant, l’utilisation de ces variables pour décrypter des systèmes aux interactions non réciproques constitue une véritable première. Cette méthode novatrice permet aux chercheurs d’exploiter le riche cadre théorique de la physique à n corps pour obtenir des simulations d’une exactitude sans précédent. Ces avancées viennent consolider la compréhension fondamentale des physiciens, un socle indispensable pour amorcer les découvertes de demain.

« À Wurtzbourg et à Dresde, nous étudions la matière quantique dont les particules interagissent sous certaines conditions de manières qui donnent naissance à de nouveaux phénomènes tels que le magnétisme ou le transport de courant sans perte. La question passionnante maintenant est de savoir si ces exceptions à la loi de Newton conduisent à des formes entièrement nouvelles de comportement quantique collectif. Nous en savons encore très peu à ce sujet, et c’est précisément ce qui rend cela si fascinant », déclare Roderich Moessner, ouvrant la voie à des champs de recherche inédits.

Les détails complets de cette avancée majeure ont été compilés dans une étude intitulée « Hamiltonian description of non-reciprocal interactions », rédigée par le chercheur Yu-Bo Shi et ses collaborateurs. Les travaux complets sont consultables dans l’édition 2026 de la revue scientifique *Nature Physics*, via le lien suivant fourni par le Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster : DOI: 10.1038/s41567-026-03317-0.

Selon la source : phys.org