Fysik viser, at ufuldkommenheder gør mester

Forskere fra det nordvestlige universitet har tilføjet betydningen af ​​mangfoldighed en ny dimension.

For første gang, fysikere har eksperimentelt demonstreret, at visse systemer med interagerende enheder kun kan synkronisere, hvis enhederne i systemet er forskellige fra hinanden.

Dette fund giver et nyt twist til den tidligere forståelse af, hvordan kollektiv adfærd, der findes i naturen - såsom ildfluer, der blinker i kor eller pacemakerceller, der arbejder sammen for at generere et hjerteslag - kan opstå, selv når de enkelte insekter eller celler er forskellige.

Northwestern's Adilson Motter, der ledede forskningen, forklarede, at identiske enheder naturligvis opfører sig identisk - indtil de begynder at interagere.

"Når identiske enheder interagerer, de opfører sig ofte forskelligt fra hinanden, sagde Motter, som er professor i fysik i Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences. "Men vi identificerede scenarier, hvor enhederne opfører sig identisk igen, hvis du gør dem passende forskellige fra hinanden."

Denne opdagelse kan hjælpe forskere med at optimere menneskeskabte systemer, såsom elnettet, hvor mange dele skal forblive synkroniserede, mens de interagerer med hinanden. Det kan også potentielt oplyse, hvordan grupper af mennesker, såsom juryer, kan koordinere for at nå til enighed.

Undersøgelsen offentliggøres mandag d. 20. januar i journalen Naturfysik . Motter medforfatter avisen med Northwestern's Takashi Nishikawa og Ferenc Molnar, en tidligere postdoktorforsker ved Northwestern, der nu er på Notre Dame University.

Dette arbejde udvider Nishikawa og Motters papir fra 2016, som teoretisk forudsagde fænomenet.

"Det er interessant, at systemer skal være asymmetriske for at udvise adfærdssymmetri, "sagde Nishikawa, en forskningsprofessor i fysik i Weinberg. "Dette er matematisk bemærkelsesværdigt, endsige fysisk. Så, mange kolleger mente, at det var umuligt at demonstrere denne effekt eksperimentelt. "

Motter og hans samarbejdspartnere gjorde det tilsyneladende umuligt muligt ved at bruge tre identiske elektriske generatorer. Hver generator oscillerede med en frekvens på nøjagtigt 100 cyklusser i sekundet. Når den er adskilt, de identiske generatorer opførte sig identisk.

Når den er forbundet til en trekant, deres frekvenser divergerede - men kun indtil generatorerne var korrekt mismatchede for at have forskellige energispild. På det tidspunkt, de synkroniserede igen.

"Dette kan visualiseres ved at sætte en lille lampe mellem hvert par generatorer, "Forklarede Molnar." Når generatorerne er identiske, lampen flimrer, hvilket betyder, at generatorerne ikke er synkroniseret. Men når generatorernes spredning tweakes til forskellige niveauer, det flimrende stop, hvilket indikerer, at generatorens spændinger oscillerer synkroniseret. "

Forskerne kaldte dette fænomen "omvendt symmetribrud", fordi det repræsenterer det modsatte af det tidligere kendte fænomen symmetribrud, der ligger til grund for superledelse, Higgs -mekanismen og endda udseendet af zebrastriber.

I symmetri bryde, de dynamiske ligninger har en symmetri, der ikke observeres i systemets adfærd, mens omvendt symmetribrud vedrører situationer, hvor systemets adfærd kun har en given symmetri, når den symmetri undgås i de dynamiske ligninger.

"Det kan virke kontraintuitivt, "Sagde Motter." Men vores teori forudsiger, at dette er sandt på tværs af mange systemer, ikke kun elektromekaniske. "

Motters team planlægger at undersøge konsekvenserne af deres fund på tværs af sociale, teknologiske og biologiske systemer. I særdeleshed, teamet arbejder aktivt på designet af et elnet, der er mere stabilt og samtidig tillader inkorporering af en stigende andel energi fra vedvarende kilder.