牛頓第三定律是我們在物理學中最常見的定律之一，它指出：每一個作用力都會產生一個大小相等、方向相反的反作用力。

這個定律可以解釋很多日常生活中的現(xiàn)象，比如我們走路時腳與地面之間的摩擦力、我們打氣球時氣球對我們手的反彈力、我們開車時車輪與路面之間的推力等等。

然而，在微觀世界中，有些生物細胞卻能夠通過一種違背牛頓第三定律的方式來進行游泳。這些細胞包括人類精子細胞和一些單細胞藻類。

它們都有一根類似于鞭子的結構叫做鞭毛（或尾巴），可以幫助它們在液體中前進。但是，它們的鞭毛運動并不會引起大小相等、方向相反的反作用力，而是通過一種獨特的方式與周圍液體相互作用。

這項令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是由日本京都大學數(shù)學科學家石本健太和他的同事們在2023年10月發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中報告的。

他們利用數(shù)學模型和實驗觀察來研究精子和藻類等微觀生物游泳者的非對稱性相互作用，揭示了一種被稱為“奇異彈性”的物理機制，它可以使這些細胞違背牛頓第三定律，并提高它們的游泳效率。

那么，精子和藻類是如何做到這一點的呢？要回答這個問題，我們首先要了解一下鞭毛的結構和運動方式。鞭毛是一種細胞器，它由微管蛋白組成，可以在細胞內部或外部形成一根細長的纖維。

鞭毛可以通過變形并恢復到原來的形狀來進行波浪式運動，從而推動細胞在液體中前進。這種運動方式類似于我們用手甩動一根橡皮筋或一根繩子，讓它們形成一個波浪狀的形狀。

按照牛頓第三定律，當鞭毛在液體中形成波浪時，它會對液體施加一個作用力，而液體也會對鞭毛施加一個大小相等、方向相反的反作用力。

這樣的話，鞭毛的運動最終會減慢細胞的速度，甚至使其停止。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，精子和藻類的鞭毛運動卻避免了這種等效和相反的反應，從而違背了牛頓第三定律。

更令人驚奇的是，精子和藻類的鞭毛在與周圍液體對抗時會變形，但這種變形過程中卻避免了等效和相反的反應，從而節(jié)省了能量。研究人員將這種能力稱為“奇異彈性”。

簡單地說，“奇異彈性”是指一種物理機制，它可以使固體或其他系統(tǒng)產生主動力，而不需要使用彈性勢能。

這意味著，精子和藻類的鞭毛在與周圍液體相互作用時，不會產生大小相等、方向相反的反作用力，從而違背了牛頓第三定律。

為了更好地理解“奇異彈性”的原理，我們可以用一個簡單的例子來比喻。假設我們有一個橡皮球和一個氣球，它們都被吹得很大，并且都有一個小孔。

當我們把它們放在水中時，它們都會因為氣體的流出而縮小，并且向前移動。這是因為氣體對水施加了一個作用力，而水也對氣體施加了一個大小相等、方向相反的反作用力。這個過程符合牛頓第三定律。

然而，如果我們把橡皮球換成一個具有“奇異彈性”的球，比如一個可以自由變形并恢復到原來形狀的球，那么情況就不一樣了。

當我們把這個球放在水中時，它也會因為氣體的流出而縮小，并且向前移動。但是，在縮小的過程中，它會以微小的方式彎曲以應對來自水的反作用力，并且在恢復到原來形狀時也會以微小的方式彎曲以應對來自氣體的反作用力。

這樣一來，它就避免了產生大小相等方向相反的反作用力，從而節(jié)省了能量，并提高了它的游泳效率。這個過程違背了牛頓第三定律。

這個例子雖然是一個簡化的模型，但它可以幫助我們理解精子和藻類的鞭毛運動中的“奇異彈性”現(xiàn)象。通過以微小的方式彎曲以應對來自液體的反作用力，鞭毛能夠避免出現(xiàn)大小相等、方向相反的反應，從而節(jié)省精子和藻類的能量，并提高它們的游泳效率。

這項研究不僅挑戰(zhàn)了我們對生物運動和物理定律的理解，也為我們提供了一個全新的視角來看待材料科學和工程設計中的問題。

例如，我們可以借鑒這種“奇異彈性”的原理來設計出一種具有自我驅動能力的材料或結構，這將對能源效率、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等領域產生重大影響。