Forskere afslører for første gang den nøjagtige proces, hvormed kaotiske systemer synkroniserer

Synkronisering, hvor to forskellige systemer svinger på en identisk måde, ligger til grund for mange kollektive fænomener observeret i naturen, giver et eksempel på fremkomne adfærd lige fra den akustiske sammensætning af cricket -kor til adfærden i den menneskelige hjerne.

Kan kaotiske systemer også synkronisere med hinanden? Hvordan opstår synkronisering og selvorganisering fra systemer, der ikke havde disse egenskaber til at begynde med? Karakterisering og forståelse af overgangen fra uorden til synkronisering er af grundlæggende betydning for at forstå fremkomsten af ​​synkronisering og selvorganisering i naturen.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang E , fysikere fra Bar-Ilan University i Israel, sammen med kolleger fra Spanien, Indien og Italien, analyserede Rossler -systemet, et velkendt kaotisk system, som fysikere har studeret grundigt i næsten 40 år. Når man ser på dette system fra et nyt perspektiv, de opdagede nye fænomener, der har været overset indtil nu.

For første gang var forskerne i stand til at måle den finkornige proces, der fører fra uorden til synkronisering, opdage en ny form for synkronisering mellem kaotiske systemer. De kalder dette nye fænomen Topologisk synkronisering. Traditionelt set synkronisering er blevet undersøgt ved at sammenligne tidsforløbet af aktivitet for de to systemer. Topologisk synkronisering undersøger i stedet synkronisering ved at sammenligne systemernes strukturer. Det kaotiske system undersøges derfor på niveau med dets struktur, tager en mere global tilgang til at bestemme synkroniseringsprocessen.

"Kaotiske systemer, selvom det er uforudsigeligt, stadig har en subtil global organisation kaldet mærkelig tiltrækker, "siger Nir Lahav, fra Bar-Ilan Universitys Institut for Fysik, undersøgelsens hovedforfatter. "Hvert kaotisk system tiltrækker sin egen unikke mærkelige tiltrækker. Med topologisk synkronisering mener vi, at to mærkelige tiltrækkere har samme organisation og strukturer. I begyndelsen af ​​synkroniseringsprocessen, små områder på den ene mærkelige attraktor har samme struktur som den anden attraktor, hvilket betyder, at de allerede er synkroniseret med den anden tiltrækker. I slutningen af ​​processen, alle områder af den ene mærkelige attraktor vil have strukturen i den anden, og fuldstændig topologisk synkronisering er nået. "

Opdagelsen af ​​topologisk synkronisering afslører, at i modsætning til hvad man tidligere antog, kaotiske systemer synkroniseres gradvist gennem lokale strukturer, der, overraskende, sparke i gang i de sparsomme områder af systemet og først derefter sprede sig til de mere befolkede områder. I disse sparsomme områder er aktiviteten mindre kaotisk end i andre områder, og som resultat, det er lettere for disse områder at synkronisere i forhold til dem, der er meget mere uregelmæssige.

"For at forstå, hvorfor dette er overraskende, tænk på dette scenario:to grupper af venner mødes til en fest. I hver gruppe kan vi finde ekstroverte, der let forbinder med fremmede, og indadvendte, som har sværere ved at oprette forbindelse til en ny gruppe, "forklarer Lahav." Vi ville antage, at de første forbindelser ville forekomme mellem ekstroverterne og først senere ville de indadvendte skabe forbindelser. Det ville være meget overraskende at se dette ske omvendt. Men det er præcis det, vi fandt i vores resultater. Vi antog, at systemets tætte områder, hvor det meste af aktiviteten er, ville synkronisere med hinanden først (som ekstroverterne), men i virkeligheden opdagede vi, at lavdensitetsområderne var de første til at synkronisere (de introverte). "

Denne konceptuelle nyhed vedrører ikke kun vores grundlæggende forståelse af synkronisering, men har også direkte praktiske konsekvenser for kaotiske systemers forudsigelighed. Ja, takket være denne nydefinerede lokale synkronisering, forskerne viser, at tilstanden i det ene system kan udledes af målinger af det andet, selv i mangel af global synkronisering. Vi kan forudsige, hvor synkroniserede områder vil vises i ugekobling, meget før fuldstændig synkronisering.

Forskerne anvender i øjeblikket deres fund for at forsøge at afdække, hvordan selvorganisering kan opstå i andre komplekse systemer i naturen, såsom den menneskelige hjerne.