Fysikere opdager overraskende komplekse tilstande, der kommer ud af simple synkroniserede netværk

Ildfluer, hjerteceller, ure, og strømnet gør det alle sammen - de kan spontant synkronisere sig, sender signaler ud i kor. I århundreder, forskere har været forvirrede over denne selvorganiserende adfærd, kommer med teorier og eksperimenter, der udgør videnskaben om synkronisering. Men på trods af at der er gjort fremskridt på området, mysterier stadig vedvarer - især hvordan netværk af helt identiske elementer kan falde ud af synkronisering.

Nu, i en ny undersøgelse i tidsskriftet 8. marts Videnskab , Caltech-forskere har eksperimentelt vist, hvordan et simpelt netværk af identiske synkroniserede nanomaskiner kan give anledning til synkronisering, komplekse stater. Forestil dig en række Rockette -dansere:Når de alle sparker på samme tid, de er synkroniseret. En af de komplekse tilstande, der observeres at stamme fra det enkle netværk, ville ligne Rockette -danserne, der sparkede benene "ud af fase" med hinanden, hvor hver anden danser sparker et ben op, mens danserne imellem lige har afsluttet et spark.

Resultaterne viser eksperimentelt, at selv simple netværk kan føre til kompleksitet, og denne viden, på tur, i sidste ende kan føre til nye værktøjer til styring af disse netværk. For eksempel, ved bedre at forstå, hvordan hjerteceller eller strømnet viser kompleksitet i tilsyneladende ensartede netværk, forskere kan muligvis udvikle nye værktøjer til at skubbe disse netværk tilbage til rytme.

"Vi vil lære, hvordan vi bare kan kildre, eller skub forsigtigt, et system i den rigtige retning for at sætte det tilbage i en synkroniseret tilstand, "siger Michael L. Roukes, Frank J. Roshek professor i fysik, Anvendt fysik, og bioingeniør hos Caltech, og hovedforsker af det nye Videnskab undersøgelse. "Dette kan måske skabe en form for nyt, mindre hårde hjertestartere, for eksempel, for at chokere hjertet tilbage til rytmen. "

Synkroniserede svingninger blev først noteret så langt tilbage som i 1600'erne, da den hollandske videnskabsmand Christiaan Huygens, kendt for at opdage den saturniske måne Titan, bemærkede, at to pendulure, der var hængt fra en fælles støtte, i sidste ende ville komme til at krydse unisont. Gennem århundrederne, matematikere og andre forskere har fundet på forskellige måder at forklare det mærkelige fænomen på, ses også i hjerte- og hjerneceller, ildfluer, skyer med kolde atomer, dyrs døgnrytme, og mange andre systemer.

I det væsentlige, disse netværk består af to eller flere oscillatorer (netværkets noder), som har evnen til at krydse af på egen hånd, udsender gentagne signaler. Knuderne skal også på en eller anden måde være forbundet til hinanden (gennem netværkskanterne), så de kan kommunikere og sende beskeder om deres forskellige tilstande.

Men det er også blevet observeret siden begyndelsen af ​​2000'erne, at disse netværk, selv når den består af identiske oscillatorer, kan spontant falde ud af synkronisering og udvikle sig til komplekse mønstre. For bedre at forstå, hvad der foregår, Roukes og kolleger begyndte at udvikle netværk af oscillerende nanomekaniske enheder. De startede med bare at forbinde to, og nu, i den nye undersøgelse, har udviklet et sammenkoblet system på otte.

Til holdets overraskelse, otte-nodesystemet udviklede sig spontant til forskellige eksotiske, komplekse stater. "Dette er den første eksperimentelle demonstration, som disse mange forskellige, komplekse tilstande kan forekomme i det samme simple system, "siger medforfatter James Crutchfield, en besøgsmedarbejder i fysik ved Caltech og en professor i fysik ved UC Davis.

For at vende tilbage til Rockettes -metaforen, et andet eksempel på en af ​​disse komplekse stater ville være, hvis hver anden danser sparkede et ben op, mens danserne imellem lavede noget helt andet som at vinke deres hatte. Og eksemplerne bliver endnu mere nuancerede end dette; med par dansere, der laver de samme bevægelser mellem par andre danse, der laver noget anderledes.

"Det forvirrende træk ved disse særlige stater er, at rocketterne i vores metafor kun kan se deres nærmeste nabo, alligevel formår at koordinere med deres nabos nabo, "siger hovedforfatter Matthew Matheny, forsker ved Caltech og medlem af Kavli Nanoscience Institute.

"Vi vidste ikke, hvad vi skulle se, "siger Matheny." Men hvad disse eksperimenter fortæller os er, at du kan få kompleksitet ud af et meget simpelt system. Dette var noget, der blev antydet før, men ikke blev vist eksperimentelt før nu. "

"Disse eksotiske tilstande, der stammer fra et simpelt system, er det, vi kalder emergent, "siger Roukes." Det hele er større end summen af ​​delene. "

Forskerne håber at fortsætte med at opbygge stadig mere komplekse netværk og observere, hvad der sker, når mere end otte noder er forbundet. De siger, at jo mere de kan forstå, hvordan netværkene udvikler sig over tid, jo mere de præcist kan kontrollere dem på nyttige måder. Og til sidst kan de måske endda anvende det, de lærer, til at modellere og bedre forstå den menneskelige hjerne - et af de mest komplekse netværk, vi kender til, med ikke bare otte knuder, men 200 milliarder neuroner, der typisk er forbundet med hinanden typisk af tusinder af synaptiske kanter.

"Årtier efter de første teorier om videnskaben om synkronisering, og vi er lige begyndt at forstå, hvad der foregår, "siger Roukes." Det vil tage et stykke tid, før vi forstår det ufatteligt komplekse netværk af vores hjerne. "

Den nye Videnskab undersøgelsen har titlen, "Eksotiske stater i et simpelt netværk af nanoelektromekaniske oscillatorer."