Ngày nay, cùng với sự phát triển của Khoa học và Công nghệ thì vấn đề về Sinh thái – Môi trường đặt ra nhiều thách thức cho con người. Chẳng hạn như vấn đề tăng trưởng - tuyệt chủng của các loài, biến đổi gen, bệnh lạ do các chủng virut mới, khí thải độc hại và hiệu ứng nhà kính… Đã có nhiều cách tiếp cận từ các ngành khoa học khác nhau để nghiên cứu vấn đề này, các nhà sinh học thường quan tâm đến một số vấn đề liên quan đến sự tiến hóa, hành vi của các loài. Các nghiên cứu hóa học thường quan tâm đến vấn đề khí thải, ô nhiễm. Cách tiếp cận toán học thường dựa trên cơ sở toán thống kê để xây dựng các mô hình áp dụng cho các bài toán như dân số, tương tác vật săn - con mồi… Các nhà nghiên cứu vật lý cũng đã có nhiều đóng góp quan trọng như vấn đề hiệu ứng nhà kính, bức xạ, giải thích một số hành vi của các loài sinh vật dựa trên cơ sở các mô hình, lý thuyết đã có.

 

Một trong những chủ đề rất thú vị của hệ sinh thái là hành vi tập thể của các loài sinh vật, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong những năm qua. Các loài sinh vật nói chung thường sinh sống trong một tổ chức bầy đàn, ví dụ, đàn kiến, đàn cá, đàn chim, bầy ong… Những câu hỏi đặt ra ở đây về nguồn gốc, đặc tính của hành vi này là gì? cơ chế hình thành như thế nào? Nghiên cứu hành vi của các loài sinh vật có thể cung cấp những thông tin quan trọng về nhóm, những thông tin cần thiết về môi trường thông qua các biểu hiện cụ thể của nhóm. Trong đó, các hành vi tập thể như flocking, schooling hay swarming đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài chục năm trở lại đây. Để nghiên cứu vấn đề này, các nhà toán học đề xuất các mô hình giải tích dựa trên cơ sở các phương trình động lực học cổ điển. Tuy nhiên, đối với các hệ với số lượng các cá thể rất lớn, phương pháp này sẽ rất khó để đưa ra lời giải chính xác. Nghiên cứu hành vi bởi các lý thuyết sinh học thì không đưa ra cơ chế vật lý rõ ràng, đa phần là luận hiện tượng về các hành vi của các loài sinh vật.

 

Trong khi đó, bản chất của vật lý là nghiên cứu về các dạng vận động của vật chất, các lý thuyết đã được xây dựng khá chi tiết và đầy đủ cho các hệ một hạt cũng như nhiều hạt. Vì vậy, các mô hình vật lý luôn đóng vai trò chủ đạo cho các nghiên cứu liên ngành. Tuy nhiên, đến nay chưa có nhiều mô hình và lý thuyết vật lý được áp dụng để giải thích các hiện tượng và quy luật của các hệ phức tạp trong các lĩnh vực khoa học khác, đặc biệt là hệ sinh thái. Mô hình vật lý đầu tiên được đề xuất bởi Vicsek và các cộng sự [184] là nghiên cứu về hành vi chuyển pha của một nhóm động vật dựa trên cơ sở mô hình spin XY, mô hình này hiện nay là nền tảng cơ bản cho các nghiên cứu đặc tính bầy đàn của hệ tự tổ chức (nhóm không có cá thể đầu đàn).

 

Nghiên cứu về các hành vi của các loài sinh vật nói chung và chuyển pha trong các hệ này nói riêng là một vấn đề mở, vẫn còn nhiều hiện tượng chưa được giải thích một cách thấu đáo. Các mô hình vật lý vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong các bài toán phức tạp liên ngành.

 

LSTS năm 2015