لقد اكتشف العلماء أشكالا غريبة جديدة من التزامن

في عالم يبدو مليئًا بالفوضى ، اكتشف الفيزيائيون أشكالًا جديدة من التزامن ، ويتعلمون الآن التنبؤ بها والتحكم فيها.

اليراعات الذكرية من فصيلة لوسيولا كروزيا تزامن تفشي المرض على ضفاف نهر في اليابان

عندما يتحول التصفيق غير المترابط للحشد فجأة إلى نبضة واحدة ، عندما يبدأ الجميع بالتصفيق في انسجام تام - من قرر أن هذا سيكون كذلك؟ ليس أنت ، وليس شخص آخر. الصراصير تجعل الأصوات بشكل متزامن. تتأرجح المقاييس القريبة في نفس الوقت ؛ تومض بعض اليراعات في الظلام معًا. في جميع أنحاء الولايات المتحدة ، تعمل الشبكة بتردد 60 هرتز ، وتتم مزامنة جميع تدفقات التيار المتردد التي لا حصر لها من تلقاء نفسها. حياتنا تعتمد على التزامن. يتم تنشيط الخلايا العصبية في الدماغ عن طريق الموجات المتزامنة للسيطرة على الجسم والعقل ، وتتم مزامنة خلايا جهاز تنظيم ضربات القلب ، مما يخلق نبضات القلب.

الكائنات التي لها إيقاع متزامنة بشكل طبيعي. ومع ذلك ، لم يصف أحد هذه الظاهرة حتى عام 1665 ، عندما قضى الفيزيائي الهولندي والمخترع كريستيان هيغنز عدة أيام في الفراش بسبب المرض. علقت بضع ساعات مع البندول على جداره بجانبه - اخترع هذه الأجهزة. لاحظت هيغنز أن البندولات تتأرجح في انسجام تام ، وتقترب ، ثم تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض. ربما تتم مزامنتها عن طريق ضغط الهواء؟ أجرى العديد من التجارب. على سبيل المثال ، لم يؤثر تعيين الجدول رأسياً بينهما على التزامن. ومع ذلك ، عندما نقل الساعة بعيدًا وبزاوية صحيحة ، سرعان ما خرج عن المزامنة. في النهاية ، قرر هيجنز أن "تعاطف" الساعة ، كما أسماها ، كان بسبب الضربات التي تنقلها بندولات الساعة إلى بعضها البعض عبر الجدار.

عندما يتأرجح البندول الأيسر إلى اليسار ، فإنه يمرر ضربة على الحائط وينقل البندول الآخر إلى اليمين ، والعكس صحيح. يتم تبادل الساعات بالسكتات الدماغية مع بعضها البعض حتى تصل إلى الحالة الأكثر استقرارًا واسترخاءًا مع الجدار. سيكون السلوك الأكثر ثباتًا على البندولات هو الحركة في اتجاهين متعاكسين ، عندما يدفع كل منهما الآخر في الاتجاه الذي يتحرك فيه - مثل طريقة تأرجح طفل على الأرجوحة. بالنسبة للجدار ، هذا الخيار هو الأسهل ؛ لم يعد يتحرك ، لأن البندولات تخبر بعضها البعض بنفس الشيء ، لكن العكس في الاتجاه ، يركل. لم يعد النظام ينحرف عن حالة التزامن الذاتية هذه. تتم مزامنة العديد من الأنظمة لأسباب مماثلة ، ويتم استبدال الصدمات فيها بأشكال أخرى من التفاعل.


رسم تخطيطي لتجربة Huygens مع بضع ساعات مع البندول ومحاولته لفهم التزامن. "مر B مرة أخرى بموقف BD عندما يكون A في AG ، بينما يتم سحب التعليق A إلى اليمين ، وبالتالي تسارع اهتزاز البندول" ، كتب. "B مرة أخرى في BK عندما تعود A إلى الوضع AF ، بينما يسحب التعليق B إلى اليسار ، وبالتالي فإن اهتزاز البندول يتباطأ. لذلك ، عندما يتباطأ اهتزاز البندول B بشكل متسارع ويتسارع A ، يجب أن يتحرك بالضرورة في مراحل مختلفة. "

سافر رجل هولندي آخر ، هو إنلبرت كيمبفير ، إلى تايلاند في عام 1690 وشاهده هناك بينما تلمع اليراعات المحلية في وقت واحد "بأقصى قدر من الانتظام والدقة". بعد قرنين من الزمن ، لاحظ الفيزيائي الإنجليزي جون ويليام ستريت (المعروف باسم اللورد رايليغ) أنه إذا وضعت أنبوبين عضوين جنبًا إلى جنب ، فإن هذا يؤدي إلى حقيقة أن "الأنابيب تبدأ في التحدث بتناغم تام ، على الرغم من الاختلافات الطفيفة التي لا مفر منها." اكتشف مهندسو الراديو في العشرينيات من القرن الماضي أن توصيل مولدين كهربائيين بترددات مختلفة يجعلهما يهتزان بتردد مشترك - وهذا المبدأ يرتكز عليه أنظمة الإرسال اللاسلكي.

في عام 1967 فقط ، استوحى النقيق النابض للكريكيت عالم الأحياء النظري الأمريكي آرت وينفري لإنشاء نموذج رياضي للتزامن. كانت معادلة وينفري معقدة للغاية ، ولكن في عام 1974 ، فهم الفيزيائي الياباني يوشيكي كوراموتو كيفية تبسيط الرياضيات. وصف نموذج Kuramoto مجموعة من التذبذبات (كائنات لها إيقاع ، مثل المسرع أو القلب) ، وأظهرت لماذا تتزامن المذبذبات المتصلة تلقائيًا.

لم يكن لدى كوراموتو البالغ من العمر 34 عامًا خبرة كبيرة في الديناميات غير الخطية - دراسة حلقات التغذية الراجعة التي تربط المتغيرات معًا. عندما أظهر نموذجه للخبراء في مجاله ، لم يروا أهميته. محبط ، تخلّى عن هذا العمل.

بعد خمس سنوات ، صادف وينفري ملخصًا لخطاب كوراموتو عن نموذجه ، وأدرك أنه يعطي فهمًا ثوريًا جديدًا للظاهرة الدقيقة المنتشرة في جميع أنحاء العالم. اتضح أن رياضيات كوراموتو متعددة الأوجه وقابلة للتوسيع بما يكفي لتكون مسؤولة عن تزامن مجموعات من الخلايا العصبية ، اليراعات ، خلايا القلب ، الزرزور في قطيع ، المواد الكيميائية المتفاعلة ، التيار المتناوب وعدد كبير من السكان الآخرين من "المذبذبات" المترابطة.

قال كوراموتو ، البالغ من العمر 78 عامًا ، في رسالة بالبريد الإلكتروني: "لم أستطع أن أتخيل أن نموذجي سيكون له استخدام واسع النطاق".

ومع ذلك ، على الرغم من عالمية نموذج Kuramoto ، تعطلت أوهام الفيزيائيين حول فهم التزامن في عام 2001. ومرة أخرى كان كوراموتو في مركز ما كان يحدث.

الساعات تذهب بشكل مختلف

في نموذج Kuramoto الأصلي ، يمكن تمثيل المذبذب بسهم يدور في دائرة بتردد طبيعي معين. (إذا كان يراعة ، فقد تومض في كل مرة يشير السهم لأعلى). عندما يكون هناك سهمان متصلان ، فإن قوة تفاعلهما تعتمد على جيب الزاوية بين اتجاهاتهما. كلما كانت الزاوية أكبر ، كلما كان الجيب أكبر ، وكان التأثير المتبادل أقوى. فقط عندما تكون الأسهم متوازية ، وتدور معًا ، تتوقف عن التأثير على بعضها البعض. لذلك ، سوف تتحرك الأسهم حتى يكتشفوا حالة التزامن. حتى المذبذبات ذات الترددات الطبيعية المختلفة ، عند الجمع ، تصل إلى حل وسط وتتأرجح جنبًا إلى جنب.

ومع ذلك ، تشرح هذه الصورة الأساسية جزءًا صغيرًا فقط من التزامن الكلي ، حيث يقوم التذبذبات بعمل الشيء نفسه. على الرغم من أن هذا التزامن في أبسط أشكاله ، "هناك العديد من الأمثلة على التزامن العالمي ؛ وقال إيدلسون موتر ، عالم فيزياء في جامعة نورث وسترن في شيكاغو وأخصائي متزامن بارز ، لذلك ، يولي الناس الكثير من الاهتمام لذلك. لكن في عام 2001 ، اكتشف كوراموتو شيئًا مختلفًا تمامًا. ومن هنا تبدأ قصة الظروف المختلفة ".


يوشيكي كوراموتو ، أستاذ الفيزياء بجامعة كيوتو

أول نوع جديد من السلوك المتزامن في مجموعة من التذبذبات المزدوجة التي تمت محاكاتها على جهاز كمبيوتر ، لاحظت بعد نشر كوراموتو من منغوليا ، Dorjsuren Battogtokh. التذبذبات المتطابقة ، المرتبطة بنفس القدر مع جيرانها ، اقتحمت بطريقة ما مجموعتين: بعضها تذبذب بشكل متزامن ، والبعض الآخر غير متماسك.

قدم كوراموتو الاكتشاف الذي قام به هو و Buttogtoch في عام 2001 في بريستول ، لكن هذه النتيجة لم يلاحظها المجتمع حتى صادفها ستيفن ستروغاتز ، عالم الرياضيات في جامعة كورنيل ، ودرس مواد المؤتمر بعد ذلك بعامين. وقال ستروجاك: "عندما أدركت ما أراه على المخططات ، لم أصدق ذلك".

"كان من الغريب أن يبدو الكون كما هو في أماكن مختلفة" من النظام. وفي الوقت نفسه ، كان رد فعل المذبذبات مختلفًا لظروف متطابقة ، بعضها مكدَّس معًا ، في حين ذهب آخرون بطريقتهم الخاصة ، كما لو لم يتم دمجهم مع أي شيء. وقال ستروجاك ، "إن التماثل في النظام" انهار "بطريقة غير مسبوقة".

استنسخ ستروجاك وطالب الدراسات العليا دانييل أبرامز ، الذي يدرس الآن التزامن كأستاذ في جامعة نورث وسترن ، هذا المزيج الغريب من المزامنة والتزامن في محاكاة الكمبيوتر الخاصة به ودرس شروط ظهوره. وصفها ستروجاك بأنها "حالة خيالية" تكريما للوحش الأسطوري الذي ينفث النار والمكون من أجزاء غير متوافقة. (قبل بضعة أشهر ، كتب ستروجاك كتاب العلوم الشهير سينك حول انتشار التزامن العالمي).

أدرك فريقان مستقلان ، يعملان مع أنظمة فيزيائية مختلفة ، هذه الحالة المميتة في المختبر في عام 2012 ، ومنذ ذلك الحين تم إجراء العديد من التجارب. كثير من الباحثين يشكون في أن الدول الخيمية تظهر بشكل طبيعي. المخ نفسه ، على ما يبدو ، هو نوع معقد من الوهم ، بمعنى أنه يدعم في نفس الوقت إطلاق الخلايا العصبية بشكل متزامن وغير متزامن. في العام الماضي ، وجد الباحثون تشابهًا نوعيًا بين زعزعة الاستقرار في حالات الهيمنة ونوبات الصرع. "نحن نعتقد أن إجراء مزيد من البحوث قد يكتشف طرق علاجية جديدة للتنبؤ وإنهاء النوبات" ، قالت المؤلفة المشاركة إيرينا أوملتشنكو من جامعة برلين.

ومع ذلك ، فإن حالة خيالية ليست مفهومة تماما بعد. صمم كوراموتو جميع الرياضيات ، مؤكدا أن هذه الحالة متسقة ، وبالتالي ممكنة ، ولكن هذا لا يفسر مظهرها. قال ستروغاتز ، لقد عمل Strogatz و Abrams في الرياضيات أكثر من ذلك ، لكن باحثين آخرين يرغبون في الحصول على "تفسير بدني أكثر بديهية" ، وأضاف: "أعتقد أنه يمكننا القول أننا ما زلنا لم نفهم تمامًا" سبب ظهور حالة خيالية.

تقلبات جيدة *

* الإشارة إلى الأغنية الشعبية ذا بيتش بويز - الاهتزازات الجيدة / تقريبا. العابرة.

مع اكتشاف الوهم في علم التزامن ، بدأ عصر جديد ، يفترض ، عدد لا يحصى من الأشكال الغريبة التي يمكن أن تتخذها المزامنة. يعمل المنظرون الآن على صياغة قواعد وأسباب ظهور مخططات التزامن المختلفة. لديهم أحلام جريئة لفهم كيفية التنبؤ والتحكم في التزامن في العديد من مواقف العالم الحقيقي.

يبحث موتير وفريقه عن قواعد لتحقيق استقرار تزامن شبكات الطاقة بحيث يكون دمج إمدادات الطاقة المتقلبة ، مثل الألواح الشمسية وطواحين الهواء ، في نظام الطاقة أكثر استقرارًا. يبحث باحثون آخرون عن طرق لنقل الأنظمة من حالة إلى أخرى ، والتي قد تكون مفيدة لتصحيح عدم انتظام ضربات القلب. أشكال جديدة من التزامن قد تأتي في متناول اليدين في التشفير. يجادل العلماء بأن عمل الدماغ وحتى الوعي يمكن أن يمثل على أنه توازن معقد وحساس من التزامن والتزامن.

وقالت رايسا ديوسا ، أستاذة علوم وهندسة الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا في ديفيس: "موضوع المزامنة هو الحصول على قدر كبير". "نحن بصدد إنشاء أدوات جديدة لدراسة هذه الأنماط الغريبة والمعقدة التي تتجاوز مجرد الانقسام إلى أقسام متزامنة وعشوائية."

تنشأ العديد من الأنماط الجديدة للمزامنة في شبكات المذبذبات ذات الاتصالات الخاصة ، وليس فقط متصلاً بالأزواج ، كما كان مفترضًا في نموذج Kuramoto الأصلي. تتحول الشبكات إلى نماذج أفضل للعديد من الأنظمة الحقيقية ، مثل الدماغ والإنترنت.

في عمل مثمر من عام 2014 ، وضع لويس بيكورا من مختبر أبحاث البحرية الأمريكية ومؤلفيه المشاركين نموذجًا للتزامن داخل الشبكات. استنادًا إلى العمل السابق ، أظهروا أن الشبكات مقسمة إلى "مجموعات" من مؤشرات التذبذب المتزامنة. الحالة الخاصة لمزامنة الكتلة هي "المزامنة عن بعد" ، حيث تتم مزامنة المذبذبات غير المرتبطة مباشرة مع بعضها البعض على أي حال ، وتشكيل كتلة ، في حين أن المذبذبات الموجودة بينها تتصرف بشكل مختلف ، وعادة ما تتزامن مع كتلة أخرى.

في عام 2017 ، اكتشفت مجموعة Motter أنه يمكن مزامنة المذبذبات عن بُعد ، حتى لو كانت المذبذبات بينهما تتصرف بشكل غير متساو. وقال إن هذا الخيار "يعبر عن التزامن عن بعد مع حالات خيالية". اقترح هو وزملاؤه أن هذا الشرط قد يكون مرتبطًا بمعالجة المعلومات بواسطة الخلايا العصبية ، نظرًا لأن الحفز المتزامن ينتشر أحيانًا في مناطق واسعة في الدماغ. أيضا ، يمكن أن يؤدي هذا الشرط إلى إنشاء أشكال جديدة من الاتصال والتشفير.

وهناك أيضًا تزامن فوضوي ، حيث لا تزال مؤشرات التذبذب ، والتي لا يمكن التنبؤ بها بشكل منفصل ، تتم مزامنتها وتطويرها معًا.

بينما يدرس المنظرون الرياضيات الكامنة وراء هذه الحالات الغريبة ، يطور المجربون منصات جديدة ومحسنة لدراستهم. قال ماثيو ماثيني من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "الكل يفضل نظامه الخاص". في عمل نشر في مجلة Science من الشهر الماضي ، تحدث ماثيني ودايسوس ومايكل راوكس و 12 من مؤلفيهم المشاركين عن حديقة الحيوان بأكملها لحالات متزامنة جديدة في شبكة من "المذبذبات الكهروميكانيكية النانوية" ، أو NEM - أساسًا طبلة الأذن الكهربائية المصغرة. درس الباحثون حلقة من ثمانية NEM ، اهتزازات كل منها أرسلت نبضات كهربائية إلى أقرب جيرانها في الحلبة. وقال ماتيني إنه على الرغم من بساطة هذا النظام المكون من ثمانية مؤشرات التذبذب ، "بدأنا في اكتشاف العديد من الأشياء المجنونة".

لقد وثق الباحثون 16 حالة متزامنة دخلها النظام في ظل ظروف أولية مختلفة ، على الرغم من أنه قد يكون هناك عدد أكبر منهم وحالات نادرة. في كثير من الحالات ، يتم فصل NEMs عن أقرب جيرانها ومزامنتهم عن بعد ، وتهتز في الطور باستخدام أغشية صغيرة موجودة في مكان آخر من الحلقة. على سبيل المثال ، في حالة واحدة ، تذبذب أقرب الجيران معًا ، ولكن الزوج التالي كان في مرحلة مختلفة ؛ الزوج الثالث متزامن مع الأول ، والرابع مع الثاني. لقد اكتشفوا أيضًا ظروفًا مماثلة لتلك التي تحدث في خيول (على الرغم من أنه من الصعب إثبات أن مثل هذا النظام الصغير هو مجرد خيال حقيقي).






في تجارب مع حلقة من ثمانية مؤشرات التذبذب ، تم العثور على العديد من تسلسل التزامن. في الحالة "canted" من الأعلى ، تختلف مراحل كل من المذبذبات عن الجيران بقيمة معينة. في الوسط عبارة عن "موجة تجول" ، وتبقى فقط الأسهم المعاكسة في الطور. أدناه هو حالة "الوهم مع إعادة شحن الضوضاء". تتم مزامنة مجموعتين من الأسهم دائمًا ، ويبدو أن الأسهم بينهما تتزامن بشكل عشوائي مع جيرانهم وتخرج منها.

NEM أكثر تعقيدًا من مؤشرات التذبذب Kuramoto البسيطة ، حيث أن تردد التذبذبات يؤثر على السعة (تحدث تقريبًا ، حجم). يؤدي عدم الخطية المستقل الداخلي لـ NEM إلى ظهور علاقات رياضية معقدة بينهما. على سبيل المثال ، يمكن للمرحلة الأولى أن تؤثر على سعة الجار ، والتي بدورها تؤثر على مرحلة الجار التالي. وقال ستروجاك إن حلقة NEM بمثابة "وسيط لأشياء أخرى غير معروفة". عندما تقوم بتشغيل المتغير الثاني ، على سبيل المثال ، اختلافات السعة ، "تنشأ حديقة جديدة للظواهر".

وقال روكس ، وهو أستاذ في الفيزياء ، والفيزياء التطبيقية ، والهندسة الحيوية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، أكثر اهتمامًا بسلوكيات الشبكات الكبيرة ، مثل الدماغ ، التي تنبع من خصائص حلقة NEM ، "هذه كلها أشياء أساسية جدًا مقارنة بتعقيد الدماغ". "إذا كنا نشهد بالفعل انفجارًا من التعقيد ، فمن المنطقي تمامًا افتراض أن شبكة تضم 200 مليار عقدة و 2000 تريليون اتصال ستواجه صعوبات في دعم الوعي."

التماثل المكسور

في البحث عن فهم والتحكم في التزامن ، يحاول العلماء إنشاء قواعد رياضية تحكم ظهور أنواع مختلفة من التزامن. لم يتم حل هذه المشكلة حتى الآن ، ولكن من الواضح بالفعل أن التزامن هو مظهر مباشر من مظاهر التماثل ، وكذلك انتهاكه.

تم تأسيس أول اتصال بين المزامنة والتماثل بواسطة Pekora وشركاءه في عملهم لعام 2014 حول تزامن الكتلة. قام العلماء بربط مجموعات متزامنة مختلفة يمكن أن تحدث في شبكة من مؤشرات التذبذب بتناسق الشبكة. في هذا السياق ، يعني التناظر إمكانية استبدال المذبذبات بأماكن دون تغيير الشبكة ، مثل المربع يمكن تدويره بمقدار 90 درجة أو عكسه أفقيًا أو رأسيًا أو قطريًا دون تغيير مظهره.

طبق Dysusa ، Matheny وزملاؤهم نفس الشكليات القوية في آخر دراسات NEM لديهم. تحدث تقريبًا ، حلقة من ثمانية NEM لها تماثل مثمن. ولكن مع اهتزاز ثمانية أغشية صغيرة وتطور النظام ، فإن بعض هذه التماثلات يتم كسرها تلقائيًا ؛يتم تقسيم NEM إلى مجموعات متزامنة تقابل المجموعات الفرعية في مجموعة التماثل D8 ، والتي تحدد جميع طرق الدوران وانعكاس المثمن ، تاركةً دون تغيير. على سبيل المثال ، عندما تتم مزامنة NEMs مع أقرب جار لها ، وأنماط نشر التذبذبات على طول الحلبة في نمط رقعة الشطرنج ، يتم تقليل D8 إلى مجموعة فرعية D4. هذا يعني أنه يمكن تدوير شبكة NEM من موقعين أو قلبها بالنسبة إلى محورين دون تغيير النمط.

يمكن التعبير عن الوهم حتى بلغة التجمعات والمجموعات الفرعية للتماثل. وقال جو هارت ، وهو مجرب في مختبر أبحاث البحرية ، بالتعاون مع بيكور وموتر: "الجزء المتزامن عبارة عن مجموعة كبيرة متزامنة ، والجزء غير المتزامن عبارة عن مجموعة من المجموعات الفردية".

يبدو أن التزامن ينشأ من التماثل ، ومع ذلك وجد العلماء أيضًا أن عدم التماثل يساعد في استقرار الحالات المتزامنة. "إنه أمر متناقض بعض الشيء ،" اعترف هارت. في فبراير ، ذكرت موتير وهارت وراج روي من جامعة ماريلاند ويوانزو تشانج من جامعة نورث وسترن في مجلة Physical Review Letters أن إدخال التباين في مجموعة يعزز بالفعل تزامنها. على سبيل المثال ، لا ينتهك تنظيم الاتصال أحادي الاتجاه لمذبذبين ، بدلاً من اتجاهين ، تزامن الكتلة فقط ، بل يجعله أكثر مقاومة للضوضاء والاضطرابات من بقية الشبكة.

هذه الاكتشافات المتعلقة بعدم التناسق تؤكدها تجارب شبكات الطاقة الاصطناعية. في اجتماع للمجتمع الفيزيائي الأمريكي في بوسطن الشهر الماضي ، قدم موتر نتائج غير منشورة تشير إلى أنه "من السهل على المولدات أن تتذبذب بتردد واحد تمامًا إذا كانت معلماتها مخصصة بشكل مختلف بطريقة خاصة". وهو يعتقد أن ميل الطبيعة إلى عدم التماثل سيسهل مهمة التزامن المستقر لمصادر الطاقة المختلفة.

وقال كوراموتو في رسالة البريد الإلكتروني: "من خلال إنشاء المزيج الصحيح من المزامنة والتزامن ، يمكنك حل العديد من المشكلات". - بلا شك ، عمليات التطور البيولوجي هي المسؤولة عن هذه الآلية المفيدة للغاية. أعتقد أن الأنظمة التي يصنعها الإنسان ستصبح أكثر مرونة أيضًا إذا قدمت دعمًا لآليات مماثلة فيها ".