混沌世界中奇妙的同步探索史,物理学家发现新的同步模式

不知道您是否注意到一种现象?人群中不连贯的拍手会突然变得整齐划一,所有人都以同样的节拍发出声响,是谁决定了这一切?不是你,也不是人群中任何一个人,这是一种称之为同步的现象。

自然界中蟋蟀会同步唱歌,一群萤火虫在黑暗中一起眨眼,节拍器并排摆放会形成步伐一致的活动。 在整个美国,电网运行在60赫兹,它无数的交流的支流自动同步。事实确实如此,我们生活是因为同步。我们大脑中的神经元以同步的方式运作着我们的身体和大脑,我们心脏中的起搏器细胞也是同步产生节拍。

有节奏的物体自然地同步。然而这种现象直到1665年才被完全记录在案,当时荷兰物理学家、发明家克里斯蒂安·惠更斯因病卧床数日。一对新摆钟并排悬挂在墙上,这是惠更斯发明的一种计时装置 。惠更斯注意到钟摆的摆动是完全一致的。也许是来自空中的压力使它们的摆动同步? 他进行了各种实验,例如,把桌子立在两个时钟之间对它们的同步没有影响。但是,当他把时钟重新挂在相隔很远的地方,或者彼此成直角时,它们很快就失去了相位。。惠更斯最终推断出时钟的“交感”,正如他所说,是由于它们的摆动产生的力量互相撞击钟体而产生的。

当左边的钟摆向左摆动时,它的力会撞击钟壁,于是右边的钟摆向右摆动,反之亦然,一直到它们和钟壁达到最稳定,放松的状态。对于钟摆来说,最稳定的行为是向相反的方向移动,所以每一个钟摆都把另一个钟摆推向它已经在前进的方向,就像你推秋千上的孩子一样。这对钟壁来说也是最容易的;事情,它根本不需要有任何移动,因为钟摆给它平等和相反的力量。一旦处于这种自我强化的同步状态,系统就没有理由偏离。许多系统由于类似的原因同步,撞击力会其他形式的影响所取代。

另一位荷兰人恩格尔伯特坎普弗尔于1690年前往泰国,他观察到当地的萤火虫的闪烁极其规律,而且是同时精准地闪烁。两个世纪后,英国物理学家约翰威廉斯特拉特发现注意到,并排放置两支管风琴,可以让管风琴发出完全一致的声音,尽管它们之间存在不可避免的细微差异。20世纪20年代的无线电工程师发现,将不同频率的发电机连接在一起,会迫使它们以共同的频率振动,这也是支持无线电通信系统的内在原理。

直到1967年,美国理论生物学家阿特·温弗里才从蟋蟀的脉动鸣叫中获得灵感,提出了一种同步的数学模型。只是温弗里的方程式太复杂而很难求解,1974年一位名叫田中仓本的日本物理学家发现了如何让数学简化。仓本的模型描述了一组振荡器,它们是有节奏的东西,比如节拍器和心跳,并展示了耦合振荡器自发同步的原因。当时34岁的仓本在非线性动力学方面几乎没有经验,这是一项对于世界上的变量纠缠的反馈回路的研究。当他向该学科的专家展示他的模型时,他们并没有能理解其重要性。这让仓本灰心丧气,把这项工作暂时搁置。

五年后,温弗里偶然发现了仓本关于他的模型的谈话大纲,并意识到它提供了一种革命性的新理解,来解释一种遍及世界的微妙现象。仓本的数学已经被证明是多用途和可扩展的,足以解释神经元群、萤火虫、起搏器细胞、飞行中的椋鸟、化学反应、交流电以及无数其他现实世界中耦合的“振荡器”种群的同步。现年78岁的仓本后来回忆说:我完全没想到我的模型会有广泛的适用性。

虽然仓本的模型应用无处不在,当时物理学家经过多年研究,试图理解同步的幻想还是在2001年破灭了。再一次仓本又成了破译同步的主角人物。

在仓本的原始模型中,振荡器可以被描绘成以某个固有频率以圆圈旋转的箭头。如果它是萤火虫,每次箭头指向上方时,它都会闪烁。当一对箭头耦合时,它们相互影响的强度取决于它们指向方向之间角度的正弦值。这个角度越大,正弦越大,因此相互影响越大。只有当箭头指向平行方向并且一起旋转时,它们才会停止相互拉拽。因此箭头将会漂移,直到它们找到这种同步状态。即使具有不同固有频率的振荡器,在耦合时也能达到一种折衷,并且同步振荡。

但是这幅基本图只能解释全局同步的开始,也就是所有振荡器都做同样的事情。除了最简单的同步之外,还有很多全局同步的例子,这就是人们如此关注这一点的原因。仓本在2001年发现了一些非常不同的东西。这才是新的故事开始的地方。

他于2001年与蒙古博士后Dorjsuren Battogtokh共同发现了嵌合状态,再次彻底改变了对同步的理解。当时是Dorjsuren Battogtokh首先注意到计算机模拟的耦合振荡器中的一种新的同步行为。相同的振子,它们与相邻的振子是完全耦合的,不知怎么竟然分成了两派:一些振子是同步振荡的,而其余的振子则前后不一致地漂移。

这样的发现太奇怪了,宇宙在系统中的每个地方看起来都是一样的。然而振荡器对相同的条件做出不同的反应,有些振子联合起来,而其他的则按照自己的方式进行联合,好像根本没有任何联系。可以这么说,系统的对称性“被打破了”。

康奈尔大学的数学家斯特罗加茨和他的研究生丹尼尔艾布拉姆斯,在他们自己的计算机模拟中再现了同步和异步的特殊组合,并探索了它产生的条件。斯特罗加茨将其称为“嵌合体”状态,它们是一个由不协调的部分组成的产物。

2012年,两个独立的团队在实验室中实现了这种嵌合状态,它们在不同的物理系统中工作。从那时起就有更多的实验发现了这种情况,许多研究人员怀疑嵌合体是自然产生的。大脑本身似乎也是一种复杂的嵌合体,因为它同时支持神经元的同步和异步放电。去年研究人员发现了嵌合状态的不稳定与癫痫发作在定性上有相似之处。研究人员相信进一步的详细研究可能会开辟新的治疗方法来预测和治疗癫痫发作。

但是嵌合状态科学家还是没有完全搞明白。仓本的模型提出的数学公式证明状态是自洽的,因此可能给予解释,但这并不能解释为什么它会出现。斯特罗加茨和艾布拉姆斯的数学研究更进一步,但其他研究人员想要一个更凭直觉的物理解释。事实上研究人员还是没有真正搞清楚嵌合体的关键。

嵌合体的发现开创了同步科学的新时代,揭示了同步可以采取的无数奇特形式。现在理论家们正在努力确定这些不同模式发生的时间和原因。研究人员对于如何在现实世界中预测和控制同步甚至抱着很大的希望。

当理论学家探索支撑这些奇异状态的数学原理时,实验主义者一直在设计新的更好的平台来研究它们。加州理工学院的马修·马瑟尼和12位合著者,在上个月发表在《科学》杂志上的一篇论文中,报告了纳米机电振荡器”(NEMs)网络中一系列新的同步状态。

研究人员研究了一个由8个NEMs组成的环,其中每个NEMs的振动将电脉冲发送给环中最近的邻居。尽管这个八振子系统很简单,然而研究人员开始看到很多疯狂的事情。

研究人员记录了系统在不同初始设置下的16种同步状态,尽管可能有更多的罕见状态。在很多情况下,NEMs与它们最近的邻居解耦分离,并远程同步,与环中其他地方的微笑鼓面同步振动。例如,在一个模式中,两个最近的邻居一起振荡,但下一对采用了不同的相位;第三对与第一对同步,第四对与第二对同步。他们还发现了类似嵌合体的状,尽管很难证明如此小的系统是真正的嵌合体。

NEMs比简单的仓本振荡器更复杂,因为它们振荡的频率影响它们的振幅,粗略地说,影响它们的响度。每个NEM固有的、自参照的“非线性”导致了它们之间复杂的数学关系。例如,一个物体的相位会影响其相邻物体的振幅,而相邻物体的振幅又会影响相邻物体的相位。斯特罗加茨比喻说,NEMs环是“其他野生生物的代表”。当你加入第二个变量,比如振幅变化,“这就开启了一个新的现象动物园。”

NEMs对大脑这样巨大的网络具有很大的启示,与大脑的复杂性相比,NEMs环非常原始。如果科学家可以发现复杂性中的爆炸式增长,那么一个由2000亿个节点2000万亿个连接组成的网络,它拥有足够的复杂性来维持意识这件事很可行。

科学家们推测,大脑功能甚至意识可以被理解为同步和非同步之间复杂而微妙的平衡。还有一些科学家团队致力于寻找如何让电网同步稳定的规则,其他研究人员正在寻找在不同同步状态之间推动系统的方法,这可能有助于矫正不规则的心跳。新颖的同步形式还可以应用于加密。通过适当的同步和异步组合可以实现各种任务,毫无疑问,生物进化过程已经形成了这种非常有用的机制,科学家希望通过引入类似的机制,人造系统会在功能上变得更加灵活。

也许你还喜欢

原保监会副主席:各险企可建区块链反

“当前, 区块链技术在保险业的应用主要集中在产品开发、承保核保、查勘理赔、风险控制

阿里云2.0意欲何为?推进云产业变革!

阿里云又有大动作。 阿里智能总裁张建锋日前在阿里2020云栖大会上宣布:阿里云进入2.0时

3D打印国内前三大供应商之一获近亿

铅笔道9月25日讯,专注于高分子新材料研发并应用于3D打印场景的苏州博理新材料科技有限

Nacos Go 微服务生态系列(一)| Dubbo

简介:作为微服务框架的核心引擎--注册中心,是必不可缺少的组件,市面已经有多款注册中心支

真正的仿生手来了,可恢复截肢者90%

文 | 学术头条 使用具有同等能力和效率的人工设备来取代人手,是一个长期的挑战。 使是

恩和生物完成1500万美元Pre-A轮融

投资界9月25日消息,恩和生物近日完成1500万美元Pre-A轮融资,投资方为经纬中国领投,夏尔巴

人群移动轨迹可视化新论文,入选IEEE

近日, TalkingData与北京航空航天大学、浙江大学合作论文“UrbanMotion: Visual Analys

华为云更新AI开发平台,ModelArts 3.

华为云在人工智能领域一直有长期投入,ModelArts便是华为云给开发者打造的一站式AI开发

索尼新设计专利公布 适用于 PS5

品玩9月25日讯,据 letsgodigital 报道,索尼向世界知识产权组织(WIPO)提交的一项设计专利现

经纬中国领投一家生物技术公司 创

铅笔道9月25日讯,恩和生物已于近日完成1500万美元A轮融资。本轮融资由经纬中国领投,夏尔