Wissenschaftler haben neue exotische Formen der Synchronisation entdeckt

In einer Welt voller Chaos haben Physiker neue Formen der Synchronisation entdeckt und lernen nun, diese vorherzusagen und zu kontrollieren.

Männliche Glühwürmchen der Luciola cruciata-Arten synchronisieren Ausbrüche an den Ufern eines Flusses in Japan

Wenn der inkohärente Applaus der Menge plötzlich zu einem einzigen Puls wird, wenn alle gemeinsam klatschen - wer hat das entschieden? Nicht du und nicht jemand anderes. Grillen machen synchron Geräusche; nahe gelegene Metronome schwingen gleichzeitig; Einige Glühwürmchen flackern im Dunkeln zusammen. In den Vereinigten Staaten arbeitet das Netz mit einer Frequenz von 60 Hz, und alle unzähligen Wechselstromzuflüsse werden von sich aus synchronisiert. Unser Leben hängt von der Synchronisation ab. Die Neuronen im Gehirn werden durch synchrone Wellen aktiviert, um unseren Körper und Geist zu steuern, und die Zellen des Herzschrittmachers werden synchronisiert, wodurch ein Herzschlag erzeugt wird.

Objekte, die einen Rhythmus haben, synchronisieren sich auf natürliche Weise. Bis 1665, als der niederländische Physiker und Erfinder Christian Huygens krankheitsbedingt mehrere Tage im Bett lag, beschrieb niemand dieses Phänomen. Ein paar Stunden mit einem Pendel an der Wand neben ihm - er hat diese Geräte erfunden. Huygens bemerkte, dass die Pendel genau im Gleichklang schwingen, näher kommen und sich dann voneinander entfernen. Vielleicht sind sie durch Luftdruck synchronisiert? Er führte viele Experimente durch. Das vertikale Einstellen der Tabelle zwischen ihnen hatte beispielsweise keine Auswirkungen auf die Synchronisation. Als er jedoch die Uhr weg und im rechten Winkel bewegte, waren sie bald nicht mehr synchron. Am Ende entschied Huygens, dass das „Mitgefühl“ der Uhr, wie er es nannte, auf die Schläge zurückzuführen war, die die Pendel der Uhr durch die Wand aufeinander übertragen.

Wenn das linke Pendel nach links schwingt, schlägt es gegen die Wand und bewegt das andere Pendel nach rechts und umgekehrt. Die Uhren tauschen Striche miteinander aus, bis sie mit der Wand den stabilsten und entspanntesten Zustand erreichen. Das stabilste Verhalten für Pendel ist die Bewegung in entgegengesetzte Richtungen, wenn jeder den anderen in die Richtung drückt, in die er sich bewegt - so wie Sie ein Kind auf einer Schaukel schwingen. Für eine Wand ist diese Option am einfachsten. es bewegt sich nicht mehr, da die Pendel einander dasselbe sagen, sondern in entgegengesetzter Richtung treten. Das System weicht nicht mehr von einem solchen autarken Synchronzustand ab. Viele Systeme werden aus ähnlichen Gründen synchronisiert, und Schocks in ihnen werden durch andere Formen der Interaktion ersetzt.


Eine Skizze eines Huygens-Experiments mit ein paar Stunden mit einem Pendel und seinem Versuch, die Synchronisation zu verstehen. "B hat erneut die Position BD durchlaufen, wenn sich A in AG befindet, während die Aufhängung A nach rechts gezogen wird und daher die Vibration des Pendels A beschleunigt wird", schrieb er. „B ist wieder in BK, wenn A in Position AF zurückkehrt, während die Aufhängung B nach links zieht und daher die Vibration des Pendels B langsamer wird. Wenn sich die Schwingung des Pendels B gleichmäßig verlangsamt und A beschleunigt, müssen sie sich daher notwendigerweise in verschiedenen Phasen bewegen. "

Ein anderer Niederländer, Engelbert Kempfer , reiste 1690 nach Thailand und sah dort zu, wie lokale Glühwürmchen gleichzeitig "mit äußerster Regelmäßigkeit und Genauigkeit" blinkten. Zwei Jahrhunderte später bemerkte der englische Physiker John William Strett (besser bekannt als Lord Rayleigh), dass, wenn Sie zwei Orgelpfeifen nebeneinander stellen, dies dazu führt, dass "die Pfeifen trotz geringfügiger unvermeidlicher Unterschiede im absoluten Einklang zu sprechen beginnen". In den 1920er Jahren stellten Funkingenieure fest, dass durch den Anschluss zweier elektrischer Generatoren mit unterschiedlichen Frequenzen diese mit einer gemeinsamen Frequenz vibrieren - dieses Prinzip liegt Funkübertragungssystemen zugrunde.

Erst 1967 inspirierte das pulsierende Zwitschern der Grillen den amerikanischen theoretischen Biologen Art Winfrey, ein mathematisches Modell der Synchronisation zu erstellen. Winfreys Gleichung war zu kompliziert, um sie zu lösen, aber 1974 verstand der japanische Physiker Yoshiki Kuramoto , wie man Mathematik vereinfacht. Das Kuramoto-Modell beschrieb eine Population von Oszillatoren (Objekte, die einen Rhythmus haben, wie ein Metronom oder ein Herz) und zeigte, warum sich die verbundenen Oszillatoren spontan synchronisieren.

Der damals 34-jährige Kuramoto hatte nicht viel Erfahrung mit nichtlinearer Dynamik - der Untersuchung von Rückkopplungsschleifen, die Variablen miteinander verbinden. Als er Experten auf seinem Gebiet sein Modell zeigte, erkannten sie seine Bedeutung nicht. Frustriert gab er diese Arbeit auf.

Fünf Jahre später stieß Winfrey auf eine Zusammenfassung von Kuramotos Rede über sein Modell und erkannte, dass es ein neues, revolutionäres Verständnis des subtilen Phänomens gibt, das die ganze Welt durchdringt. Kuramotos Mathematik erwies sich als vielfältig und erweiterbar genug, um für die Synchronisation von Clustern von Neuronen, Glühwürmchen, Herzzellen, Staren in einer Herde, reagierenden Chemikalien, Wechselstrom und einer Vielzahl anderer Populationen miteinander verbundener „Oszillatoren“ verantwortlich zu sein.

"Ich konnte mir nicht vorstellen, dass mein Modell so weit verbreitet sein würde", sagte uns der 78-jährige Kuramoto in einer E-Mail.

Trotz der Universalität des Kuramoto-Modells stürzten 2001 alle Illusionen der Physiker über das Verständnis der Synchronisation ab. Und wieder stand Kuramoto im Mittelpunkt des Geschehens.

Uhren gehen anders

Im ursprünglichen Kuramoto-Modell kann der Oszillator durch einen Pfeil dargestellt werden, der sich in einem Kreis mit einer bestimmten Eigenfrequenz dreht. (Wenn es sich um eine Glühwürmchen handelt, kann sie jedes Mal blinken, wenn der Pfeil nach oben zeigt.) Wenn zwei Pfeile verbunden sind, hängt die Stärke ihrer Wechselwirkung vom Sinus des Winkels zwischen ihren Richtungen ab. Je größer der Winkel, desto größer der Sinus und desto stärker die gegenseitige Beeinflussung. Erst wenn die Pfeile parallel sind und sich zusammen drehen, hören sie auf, sich gegenseitig zu beeinflussen. Daher bewegen sich die Pfeile, bis sie den Synchronisationszustand erkennen. Selbst Oszillatoren mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen erzielen in Kombination einen Kompromiss und schwingen zusammen.

Dieses Grundbild erklärt jedoch nur einen kleinen Teil der Gesamtsynchronisation, bei der die Population der Oszillatoren dasselbe tut. Obwohl diese Synchronisation in ihrer einfachsten Form vorliegt, „gibt es viele Beispiele für globale Synchronisation; Deshalb schenken die Leute dem so viel Aufmerksamkeit “, sagte Edilson Motter , Physiker an der Northwestern University of Chicago und führender Synchronisationsspezialist. „Aber 2001 entdeckte Kuramoto etwas völlig anderes. Und von hier aus beginnt die Geschichte verschiedener Zustände. “


Yoshiki Kuramoto, Professor für Physik an der Universität Kyoto

Die erste neue Art von synchronisiertem Verhalten in einer Population gekoppelter Oszillatoren, die auf einem Computer simuliert wurden, war das Kuramoto-Postdock aus der Mongolei, Dorjsuren Battogtokh, der dies feststellte. Identische Oszillatoren, die gleichermaßen mit ihren Nachbarn verbunden waren, teilten sich irgendwie in zwei Gruppen auf: einige oszillierten synchron, andere inkohärent.

Kuramoto präsentierte die Entdeckung, die er und Buttogtoch 2001 in Bristol gemacht hatten, aber dieses Ergebnis wurde von der Gemeinde erst bemerkt, als Stephen Strogatz , Mathematiker an der Cornell University, darauf stieß und zwei Jahre später Konferenzmaterialien studierte. "Als ich merkte, was ich in den Charts sehe, glaubte ich das nicht", sagte Strogac.

"Es war sehr seltsam, dass das Universum an verschiedenen Orten des Systems gleich schien". Gleichzeitig reagierten die Oszillatoren unterschiedlich auf identische Bedingungen, von denen einige gestapelt waren, während andere ihren eigenen Weg gingen, als wären sie mit nichts kombiniert. Die Symmetrie des Systems "brach", sagte Strogac, "auf beispiellose Weise."

Strogac und sein Doktorand Daniel Abrams , der jetzt als Professor an der Northwestern University Synchronisation studiert , haben diese seltsame Mischung aus Synchronität und Asynchronität in seinen eigenen Computersimulationen reproduziert und die Bedingungen für ihr Auftreten untersucht. Strogac nannte es einen "chimären Zustand" zu Ehren eines mythologischen feuerspeienden Monsters aus inkompatiblen Teilen. (Einige Monate zuvor schrieb Strogac das populärwissenschaftliche Buch Sync über die Verbreitung der globalen Synchronisation.)

Zwei unabhängige Teams, die mit unterschiedlichen physikalischen Systemen arbeiteten, haben diesen chimären Zustand 2012 im Labor erkannt, und seitdem wurden viele weitere Experimente durchgeführt. Viele Forscher vermuten, dass chimäre Zustände natürlich auftreten. Das Gehirn selbst ist offenbar eine komplexe Art von Chimäre in dem Sinne, dass es gleichzeitig die synchrone und asynchrone Auslösung von Neuronen unterstützt. Im vergangenen Jahr fanden die Forscher eine qualitative Ähnlichkeit zwischen der Destabilisierung chimärer Zustände und epileptischen Anfällen. "Wir glauben, dass weitere Forschungen neue therapeutische Methoden zur Vorhersage und Beendigung von Anfällen entdecken können", sagte die Co-Autorin Irina Omelchenko von der Universität Berlin.

Der chimäre Zustand ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. Kuramoto entwarf die gesamte Mathematik und bestätigte, dass dieser Zustand konsistent und daher möglich ist, aber dies erklärt nicht sein Aussehen. Strogatz und Abrams haben die Mathematik noch weiter ausgearbeitet, aber andere Forscher wünschen sich eine "intuitivere, physikalischere Erklärung", sagte Strogatz und fügte hinzu: "Ich denke, wir können sagen, dass wir immer noch nicht vollständig verstanden haben", warum der chimäre Zustand entsteht.

Gute Schwankungen *

* Verweis auf das beliebte Lied The Beach Boys - Good Vibrations / ca. perev.

Mit der Entdeckung von Chimären in der Wissenschaft der Synchronisation hat eine neue Ära begonnen, die vermutlich die Vielzahl exotischer Formen eröffnet, die die Synchronisation annehmen kann. Jetzt arbeiten Theoretiker daran, die Regeln und Gründe für das Auftreten verschiedener Synchronisationsschemata zu formulieren. Sie haben kühne Träume davon, zu verstehen, wie Synchronisation in vielen realen Situationen vorhergesagt und gesteuert werden kann.

Motter und sein Team suchen nach Regeln zur Stabilisierung der Synchronisation von Stromnetzen, damit die Integration flüchtiger Stromversorgungen wie Sonnenkollektoren und Windmühlen in das Stromnetz stabiler wird. Andere Forscher suchen nach Möglichkeiten, Systeme von einem Zustand in einen anderen zu bewegen, was zur Korrektur von Herzrhythmusstörungen hilfreich sein kann. Neue Formen der Synchronisation können sich bei der Verschlüsselung als nützlich erweisen. Wissenschaftler argumentieren, dass die Arbeit des Gehirns und sogar des Bewusstseins möglicherweise als ein komplexes und empfindliches Gleichgewicht zwischen Synchronismus und Asynchronität dargestellt werden kann.

"Das Thema Synchronisation wird immer wichtiger ", sagte Raissa Disusa , Professorin für Informatik und Ingenieurwesen an der University of California in Davis. "Wir entwickeln neue Werkzeuge, um diese exotischen und komplizierten Muster zu untersuchen, die über die einfache Unterteilung in synchronisierte und zufällige Abschnitte hinausgehen."

Viele der neuen Synchronisationsmuster entstehen in Netzwerken von Oszillatoren mit speziellen Verbindungen und nicht nur paarweise, wie im ursprünglichen Kuramoto-Modell angenommen. Netzwerke erweisen sich als bessere Modelle vieler realer Systeme wie des Gehirns und des Internets.

In einer fruchtbaren Arbeit aus dem Jahr 2014 haben Luis Pekora vom US Navy Research Laboratory und seine Co-Autoren ein Modell für die Synchronisation innerhalb von Netzwerken zusammengestellt. Basierend auf früheren Arbeiten haben sie gezeigt, dass Netzwerke in „Cluster“ synchronisierter Oszillatoren unterteilt sind. Ein Sonderfall der Clustersynchronisation ist die „Fernsynchronisation“, bei der Oszillatoren, die nicht direkt miteinander verbunden sind, ohnehin synchronisiert werden und einen Cluster bilden, während sich die zwischen ihnen befindlichen Oszillatoren unterschiedlich verhalten und normalerweise mit einem anderen Cluster synchronisieren.

2017 entdeckte die Motter-Gruppe , dass die Oszillatoren aus der Ferne synchronisiert werden können, auch wenn sich die Oszillatoren zwischen ihnen ungleichmäßig verhalten. Diese Option "kreuzt die Fernsynchronisation mit chimären Zuständen", sagte er. Er und Kollegen schlugen vor, dass dieser Zustand mit der Informationsverarbeitung durch Neuronen zusammenhängt, da sich das synchronisierte Auslösen manchmal auf große Bereiche im Gehirn ausbreitet. Diese Bedingung kann auch zur Schaffung neuer Kommunikations- und Verschlüsselungsformen führen.

Und es gibt auch eine chaotische Synchronisation , bei der die Oszillatoren, die separat unvorhersehbar sind, immer noch zusammen synchronisiert und entwickelt werden.

Während Theoretiker die Mathematik studieren, die diesen exotischen Zuständen zugrunde liegt, entwickeln Experimentatoren neue, verbesserte Plattformen für ihr Studium. "Jeder bevorzugt sein eigenes System", sagte Matthew Matheny vom California Institute of Technology. In einer Arbeit in der Zeitschrift Science aus dem letzten Monat sprachen Matheny, Dysus, Michael Rawks und 12 ihrer Co-Autoren über den gesamten Zoo neuer synchroner Zustände in einem Netzwerk von "nanoelektromechanischen Oszillatoren" oder NEM - im Wesentlichen elektrischen Miniatur-Trommelfellen. Die Forscher untersuchten einen Ring aus acht NEMs, deren Schwingungen jeweils elektrische Impulse an die nächsten Nachbarn im Ring sendeten. Trotz der Einfachheit dieses Systems von acht Oszillatoren „haben wir begonnen, viele verrückte Dinge zu entdecken“, sagte Matheny.

Forscher haben 16 synchrone Zustände dokumentiert, in die das System unter verschiedenen Anfangsbedingungen eingetreten ist, obwohl es möglicherweise eine viel größere Anzahl von ihnen und seltenere Zustände gibt. In vielen Fällen trennten sich NEMs von ihren nächsten Nachbarn und synchronisierten sich aus der Ferne. Sie vibrierten in Phase mit winzigen Membranen, die sich an anderer Stelle im Ring befanden. In einem Fall schwangen beispielsweise die beiden nächsten Nachbarn zusammen, aber das nächste Paar befand sich in einer anderen Phase. Das dritte Paar synchronisierte sich mit dem ersten und das vierte mit dem zweiten. Sie entdeckten auch ähnliche Bedingungen wie chimäre (obwohl es schwierig ist zu beweisen, dass ein so kleines System eine echte Chimäre ist).






In Experimenten mit einem Ring von acht gekoppelten Oszillatoren wurden viele Synchronisationssequenzen gefunden. Im "gekippten" Zustand von oben unterscheiden sich die Phasen jedes der Oszillatoren von den Nachbarn um einen bestimmten Wert. In der Mitte befindet sich eine "Wanderwelle", und nur entgegengesetzte Pfeile bleiben in Phase. Unten ist der Zustand der "Chimäre mit Rauschaufladung". Zwei Sätze von Pfeilen sind immer synchronisiert, und die Pfeile zwischen ihnen scheinen zufällig mit ihren Nachbarn synchronisiert zu werden und sie zu verlassen.

NEM ist komplizierter als einfache Kuramoto-Oszillatoren, da die Frequenz ihrer Schwingungen ihre Amplitude beeinflusst (grob gesagt, Lautstärke). Diese interne unabhängige Nichtlinearität von NEM führt zum Auftreten komplexer mathematischer Beziehungen zwischen ihnen. Zum Beispiel kann die Phase von eins die Amplitude des Nachbarn beeinflussen, was wiederum die Phase des nächsten Nachbarn beeinflusst. Der NEM-Ring dient als "Vermittler für andere unbekannte Dinge", sagte Strogac. Wenn Sie die zweite Variable aktivieren, z. B. Amplitudenvariationen, "entsteht ein neuer Zoo von Phänomenen".

Rocks, Professor für Physik, angewandte Physik und Bioingenieurwesen an der Caltech, ist mehr daran interessiert, welche Verhaltensweisen großer Netzwerke wie des Gehirns von den Eigenschaften des NEM-Rings herrühren: „Dies sind alles sehr grundlegende Dinge im Vergleich zur Komplexität des Gehirns“, sagte er. "Wenn wir bereits eine Explosion der Komplexität erleben, ist es durchaus vernünftig anzunehmen, dass ein Netzwerk von 200 Milliarden Knoten und 2.000 Billionen Verbindungen Schwierigkeiten haben wird, das Bewusstsein zu unterstützen."

Gebrochene Symmetrie

Auf der Suche nach Verständnis und Kontrolle über die Synchronisation versuchen Wissenschaftler, mathematische Regeln für das Auftreten verschiedener Arten der Synchronisation festzulegen. Dieses Problem ist noch nicht gelöst, aber es ist bereits klar, dass die Synchronisation eine direkte Manifestation der Symmetrie sowie ihrer Verletzung ist.

Die Verbindung zwischen Synchronisation und Symmetrie wurde erstmals von Pekora und seinen Mitautoren in ihrer 2014 durchgeführten Arbeit zur Clustersynchronisation hergestellt. Wissenschaftler haben verschiedene synchronisierte Gruppen verknüpft, die in einem Netzwerk von Oszillatoren mit Netzwerksymmetrie auftreten können. Symmetrie bedeutet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, Oszillatoren durch Orte zu ersetzen, ohne das Netzwerk zu verändern, ähnlich wie ein Quadrat um 90 Grad gedreht oder horizontal, vertikal oder diagonal reflektiert werden kann, ohne sein Erscheinungsbild zu verändern.

Dysusa, Matheny und ihre Kollegen haben in ihren neuesten NEM-Studien denselben starken Formalismus angewendet. Grob gesagt hat ein Ring aus acht NEM eine Achteckensymmetrie. Aber mit der Vibration von acht winzigen Membranen und der Entwicklung des Systems werden einige dieser Symmetrien spontan gebrochen; NEM werden in synchrone Gruppen unterteilt, die Untergruppen in der Symmetriegruppe D8 entsprechen, die alle Rotations- und Reflexionsmethoden des Achtecks ​​definiert und unverändert lässt. Wenn beispielsweise NEMs mit ihrem nächsten Nachbarn synchronisiert werden und Schwingungsmuster entlang des Rings in einem Schachbrettmuster ausbreiten, wird D8 auf eine Untergruppe D4 reduziert. Dies bedeutet, dass das NEM-Netzwerk um zwei Positionen gedreht oder relativ zu zwei Achsen gedreht werden kann, ohne das Muster zu ändern.

Sogar Chimären können in der Sprache von Clustern und Untergruppen der Symmetrie ausgedrückt werden. "Der synchronisierte Teil ist ein großer synchronisierter Cluster, und der desynchronisierte Teil besteht aus einer Reihe einzelner Cluster", sagte Joe Hart, Experimentator am Forschungslabor der Marine, in Zusammenarbeit mit Pecor und Motter.

Die Synchronisation scheint sich aus der Symmetrie zu ergeben, und dennoch fanden Wissenschaftler heraus, dass Asymmetrie zur Stabilisierung synchronisierter Zustände beiträgt. "Es ist ein wenig paradox", gab Hart zu.Im Februar berichteten Motter, Hart, Raj Roy von der University of Maryland und Yuanzhao Zhang von der Northwestern University in der Zeitschrift Physical Review Letters, dass die Einführung von Asymmetrien in einem Cluster die Synchronisation tatsächlich verbessert. Zum Beispiel verletzt die Organisation der Einwegkommunikation von zwei Oszillatoren anstelle der Zweiwegosignalisierung nicht nur die Synchronisation des Clusters, sondern macht ihn auch widerstandsfähiger gegen Rauschen und Störungen durch den Rest des Netzwerks.

Diese Entdeckungen im Zusammenhang mit Asymmetrie werden durch Experimente mit künstlichen Energienetzen bestätigt. Bei einem Treffen der amerikanischen physischen Gemeinschaft in Boston im vergangenen Monat präsentierte Motter unveröffentlichte Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass „es für Generatoren einfacher ist, mit einer genau gleichen Frequenz zu schwingen, wenn ihre Parameter auf besondere Weise speziell anders konfiguriert werden“, sagte er. Er glaubt, dass die Tendenz der Natur zur Asymmetrie die Aufgabe einer stabilen Synchronisation verschiedener Energiequellen erleichtern wird.

"Durch die Schaffung der richtigen Kombination aus Synchronität und Asynchronität können Sie eine Vielzahl von Problemen lösen", sagte Kuramoto in der E-Mail. - Ohne Zweifel sind die Prozesse der biologischen Evolution für diesen äußerst nützlichen Mechanismus verantwortlich. Ich denke, dass von Menschen geschaffene Systeme auch viel flexibler werden, wenn Sie Unterstützung für ähnliche Mechanismen in ihnen einführen. "