Om formens tilblivelse:Der er ingen magi i fjernsynkronisering

I nogle fysiske systemer, selv elementer, der er ganske fjernt fra hinanden, er i stand til at synkronisere deres handlinger. Ved første øjekast, fænomenet fremstår mystisk. Ved hjælp af et netværk af enkle elektroniske oscillatorer sammenkoblet som en ring, forskere fra Institute of Nuclear Physics fra det polske videnskabsakademi i Krakow har vist, at fjernsynkronisering kan, i hvert fald i visse tilfælde, forklares ganske klart.

Den mest fascinerende fysiske, kemiske og biologiske processer er sandsynligvis dem, hvor "noget" kommer fra "ingenting". For eksempel, hvorfor vises koncentriske ringe pludselig i et tilsyneladende homogent væskelag, som i tilfælde af Belousov-Zhabotinsky-reaktionen? Hvorfor kan en hydra have mange tentakler, altid arrangeret så regelmæssigt? Hvorfor i et netværk på et dusin eller så enkle elektroniske oscillatorer forbundet i en ring, begynder nogle fjernelementer pludselig at fungere i den samme rytme? Ved roden af ​​lignende fænomener på tværs af så forskellige systemer, der er universelle, selvom det stadig er dårligt forstået, mekanismer til synkronisering af aktiviteten af ​​et systems komponenter. Nuancerne i en af ​​disse mekanismer er netop blevet forklaret af forskere fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, i tæt samarbejde med kolleger fra University of Palermo og University of Catania i Italien.

Synkronisering, der fører til formens fødsel (repræsenterer en form for morfogenese) kan forekomme i systemer af forskellig art, og forskellige mekanismer kan være ansvarlige for dens forekomst. En metafor for en repræsentativ situation er, at i en nogenlunde ensartet gruppe gæster, der ikke kender hinanden til en stor fest, klart synlige grupper af lignende interesser dannes hurtigt, inden for hvilke folk bruger det meste af tiden på at tale med hinanden. Denne type fænomen - resultatet af specifikke træk ved bestemte elementer eller som følge af utilsigtede hændelser - omtales som klyngesynkronisering. Det findes i mange fysiske systemer, for eksempel, mellem neuroner i den menneskelige hjerne.

"I vores seneste forskning, vi har beskæftiget os med en forekomst af en relateret type synkronisering, fjernsynkronisering. Dette er når elementer eller grupper af elementer, der ikke er direkte forbundet med hinanden, synkroniserer deres aktivitet, men gør det uden at inddrage de andre elementer, gennem hvilke synkroniseringsinformationen formidles. Det ligner en situation, hvor to personer udveksler oplysninger med hinanden via en kurer, men kureren kan ikke kun læse indholdet af meddelelserne, men er ofte ganske uvidende om eksistensen af ​​et skjult budskab, "forklarer Dr. Ludovico Minati (IFJ PAN), hovedforfatteren af ​​publikationen i det velkendte videnskabelige tidsskrift Kaos .

Forskellige forekomster af fjernsynkronisering er blevet beskrevet til dato, og fjernsynkronisering anses for at forekomme mellem områder af hjernen, der er fjernt fra hinanden, mellem meteorologiske fænomener over forskellige kontinenter, og endda mellem elementer i elektroniske kredsløb. I 2015, Dr. Minati, derefter på University of Trento, beskrev en forekomst af denne slags synkronisering i netværk, der er bygget op af et dusin eller så enkle elektroniske oscillatorer, der er forbundet i serie som en ring. Det blev da bemærket, at individuelle oscillatorer forsøgte at synkronisere ikke kun med deres nærmeste naboer på ringen, men også med nogle mere fjerne, samtidig med at de forbliver mindre desynkroniseret med andre placeret i en mellemliggende afstand.

"Vi observerede denne effekt med ægte fascination, fordi det forekom i en enhed meget mindre, men frem for alt, radikalt enklere end hjernen. Fænomenet blev beskrevet detaljeret. Desværre, vi var ikke i stand til fuldt ud at forstå dens natur. Vi har kun fremlagt en tilfredsstillende forklaring i vores seneste publikation, "siger Dr. Minati.

Forskere fra IFJ PAN undersøgte ringe af oscillatorer eksperimentelt og med brug af computersimuleringer. Observationen af, at information skal spredes i ringene ved hjælp af ikke én, men tre frekvenser, viste sig at være et gennembrud (i denne henseende, fænomenet ligner amplitude -modulationen, der bruges inden for radioteknologi). Hver oscillator genererede ikke kun sit eget signal af kaotisk karakter, men reagerede også på signaler, der kommer fra oscillatorer i nærheden, og overførte dem til de to andre bands. Afhængig af deres fase i en given oscillator, disse signaler blev forstærket eller svækket på en måde, der lignede en interferenseffekt. Forskerne observerede følgelig mønstre, der minder om diffraktionsbåndene, der er velkendte fra optik. Svingninger i synkroniseringsintensiteten, der giver anledning til "afstand", viste sig mellem oscillatorer, hvor der forekom konstruktiv eller destruktiv interferens.

For bedre at forstå arten af ​​den observerede synkronisering, de Krakow-baserede fysikere udsatte oscillatorringene for yderligere test. Synkroniseringens følsomhed over for højintensitetsstøj, der blev introduceret på forskellige steder i systemerne, blev testet, og varierende antal oscillatorer i ringen blev simuleret sammen med effekterne, der vises på dens åbning. Analyse af resultaterne gjorde det muligt at bestemme, at i de undersøgte oscillatorringe, fjernsynkronisering er ikke så meget en global egenskab ved hele systemet, da det er resultatet af de lokale interaktioner mellem individuelle oscillatorer med deres omgivelser. På samme tid, forskerne undersøgte også, om fjernsynkronisering kunne bruges til at overføre et signal, der blev indført i systemet udefra. Resultatet, imidlertid, var negativ.

"At forstå de mekanismer, der er forbundet med forekomsten af ​​komplekse indbyrdes afhængigheder mellem elementer i systemer af forskellig art, er en stor udfordring i ikke-lineær videnskab. Vi har stadig begrænset forståelse af de mekanismer, der er ansvarlige for de fleste former for fjernsynkronisering. En mere komplet viden om lignende processer ville have betydelig teoretisk og praktisk betydning. Hvem ved? Måske kunne vi bedre forudsige, for eksempel, kollektiv adfærd på forskellige sociale netværk eller endda på finansielle markeder, "siger prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Cracow University of Technology).