Para ilmuwan telah menemukan bentuk sinkronisasi baru yang eksotis

Dalam dunia yang tampaknya penuh dengan kekacauan, fisikawan telah menemukan bentuk sinkronisasi baru, dan sekarang belajar untuk memprediksi dan mengendalikannya.

Kunang-kunang jantan dari spesies Luciola cruciata menyinkronkan wabah di tepi sungai di Jepang

Ketika tepuk tangan yang tidak jelas dari kerumunan tiba-tiba berubah menjadi satu denyut, ketika semua orang mulai bertepuk tangan secara bersamaan - siapa yang memutuskan bahwa ini akan terjadi? Bukan kamu, dan bukan orang lain. Jangkrik membuat suara secara serempak; metronom terdekat berayun pada saat yang sama; beberapa kunang-kunang berkedip dalam gelap bersama. Di seluruh Amerika Serikat, grid beroperasi pada frekuensi 60 Hz, dan semua arus masuk AC yang tak terhitung banyaknya disinkronkan sendiri. Hidup kita tergantung pada sinkronisasi. Neuron di otak diaktifkan oleh gelombang sinkron untuk mengendalikan tubuh dan pikiran kita, dan sel-sel alat pacu jantung disinkronkan, menciptakan detak jantung.

Objek yang memiliki ritme sinkronisasi secara alami. Namun, tidak ada yang menggambarkan fenomena ini sampai 1665, ketika fisikawan dan penemu Belanda Christian Huygens menghabiskan beberapa hari di tempat tidur karena sakit. Beberapa jam dengan pendulum digantung di dinding di sebelahnya - ia menemukan perangkat ini. Huygens memperhatikan bahwa pendulum berayun secara serempak, semakin dekat, dan kemudian menjauh satu sama lain. Mungkin mereka disinkronkan oleh tekanan udara? Dia melakukan banyak percobaan. Misalnya, pengaturan tabel secara vertikal di antara mereka tidak mempengaruhi sinkronisasi. Namun, ketika dia memindahkan jam dan pada sudut yang benar, mereka segera tidak sinkron. Pada akhirnya, Huygens memutuskan bahwa "simpati" arloji itu, demikian ia menyebutnya, adalah karena pukulan yang ditransmisikan oleh pendulum jam satu sama lain melalui dinding.

Ketika pendulum kiri berayun ke kiri, pendulum melewati dinding dan menggerakkan pendulum lainnya ke kanan, dan sebaliknya. Jam tangan saling bertukar pukulan sampai mereka mencapai kondisi paling stabil dan santai dengan dinding. Perilaku yang paling stabil untuk pendulum adalah gerakan dalam arah yang berlawanan, ketika masing-masing mendorong yang lain ke arah di mana dia bergerak - seperti bagaimana Anda mengayunkan anak di ayunan. Untuk dinding, opsi ini adalah yang termudah; itu tidak lagi bergerak, karena pendulum saling memberi tahu yang sama, tetapi berlawanan arah, tendangan. Sistem tidak lagi menyimpang dari kondisi sinkron yang mandiri seperti itu. Banyak sistem disinkronkan untuk alasan yang sama, dan guncangan di dalamnya digantikan oleh bentuk interaksi lainnya.


Sebuah sketsa percobaan Huygens dengan beberapa jam dengan pendulum dan upayanya untuk memahami sinkronisasi. "B kembali melewati posisi BD ketika A di AG, sedangkan suspensi A ditarik ke kanan, dan karenanya getaran pendulum A dipercepat," tulisnya. “B lagi di BK ketika A kembali ke posisi AF, sedangkan suspensi B menarik ke kiri, dan karenanya getaran pendulum B melambat. Karena itu, ketika getaran pendulum B melambat secara seragam dan A berakselerasi, mereka harus bergerak dalam fase yang berbeda. "

Orang Belanda lainnya, Engelbert Kempfer , melakukan perjalanan ke Thailand pada tahun 1690 dan menyaksikan di sana ketika kunang-kunang lokal berkedip secara serentak "dengan keteraturan dan akurasi yang maksimal." Dua abad kemudian, fisikawan Inggris John William Strett (lebih dikenal sebagai Lord Rayleigh), mencatat bahwa jika Anda meletakkan dua pipa organ berdampingan, ini mengarah pada fakta bahwa "pipa-pipa itu mulai berbicara secara serempak mutlak, meskipun ada sedikit perbedaan yang tak terhindarkan." Insinyur radio pada 1920-an menemukan bahwa menghubungkan dua generator listrik dengan frekuensi berbeda membuat mereka bergetar pada frekuensi yang sama - prinsip ini mendasari sistem transmisi radio.

Baru pada tahun 1967 kicauan jangkrik yang berdenyut mengilhami ahli biologi teoritis Amerika, Art Winfrey, untuk menciptakan model sinkronisasi yang matematis . Persamaan Winfrey terlalu rumit untuk dipecahkan, tetapi pada 1974, fisikawan Jepang Yoshiki Kuramoto mengerti bagaimana menyederhanakan matematika. Model Kuramoto menggambarkan populasi oscillator (objek yang memiliki ritme, seperti metronom atau hati), dan menunjukkan mengapa oscillator yang terhubung melakukan sinkronisasi secara spontan.

Kuramoto, yang saat itu berusia 34 tahun, tidak memiliki banyak pengalaman dalam dinamika nonlinier - studi tentang umpan balik yang menghubungkan variabel secara bersamaan. Ketika ia menunjukkan modelnya kepada para ahli di bidangnya, mereka tidak melihat signifikansinya. Karena frustrasi, ia meninggalkan pekerjaan ini.

Lima tahun kemudian, Winfrey menemukan ringkasan pidato Kuramoto tentang modelnya, dan menyadari bahwa itu memberikan pemahaman revolusioner yang baru tentang fenomena halus yang menyelimuti seluruh dunia. Matematika Kuramoto ternyata beraneka segi dan cukup diperluas untuk bertanggung jawab atas sinkronisasi kelompok neuron, kunang-kunang, sel-sel jantung, burung jalak dalam kawanan, bereaksi bahan kimia, arus bolak-balik dan sejumlah besar populasi lain dari "osilator" yang saling berhubungan.

"Saya tidak bisa membayangkan bahwa model saya akan digunakan secara luas," kata Kuramoto, yang kini berusia 78 tahun, kepada kami melalui email.

Namun, terlepas dari universalitas model Kuramoto, semua ilusi fisikawan tentang pemahaman sinkronisasi jatuh pada tahun 2001. Dan lagi-lagi Kuramoto berada di pusat dari apa yang terjadi.

Arloji berjalan berbeda

Dalam model Kuramoto asli, osilator dapat diwakili oleh panah yang berputar dalam lingkaran pada frekuensi alami tertentu. (Jika itu kunang-kunang, itu mungkin berkedip setiap kali panah menunjuk ke atas). Ketika dua panah terhubung, kekuatan interaksi mereka tergantung pada sinus sudut antara arah mereka. Semakin besar sudut, semakin besar sinus, dan semakin kuat pengaruh timbal balik. Hanya ketika panah itu paralel, dan berputar bersama, mereka berhenti saling mempengaruhi. Oleh karena itu, panah akan bergerak sampai mereka mendeteksi keadaan sinkronisasi. Bahkan osilator dengan frekuensi alami yang berbeda, ketika digabungkan, mencapai kompromi dan berosilasi bersama-sama.

Namun, gambar dasar ini hanya menjelaskan sebagian kecil dari keseluruhan sinkronisasi, di mana populasi osilator melakukan hal yang sama. Meskipun sinkronisasi ini dalam bentuk yang paling sederhana, “ada banyak contoh sinkronisasi global; oleh karena itu, orang menaruh banyak perhatian pada hal ini, ”kata Edilson Motter , seorang ahli fisika di Northwestern University of Chicago dan spesialis sinkronisasi terkemuka. “Tetapi pada tahun 2001, Kuramoto menemukan sesuatu yang sangat berbeda. Dan dari sinilah kisah berbagai kondisi dimulai. ”


Yoshiki Kuramoto, profesor fisika di Universitas Kyoto

Tipe baru pertama dari perilaku yang disinkronkan dalam populasi osilator yang disimulasikan pada komputer diperhatikan oleh postdoc Kuramoto dari Mongolia, Dorjsuren Battogtokh. Osilator identik, yang sama-sama terhubung dengan tetangga mereka, entah bagaimana terbagi menjadi dua kelompok: beberapa berosilasi secara serempak, yang lain tidak jelas.

Kuramoto mempresentasikan penemuan yang dibuat olehnya dan Buttogtoch pada tahun 2001 di Bristol, tetapi hasil ini tidak diketahui oleh masyarakat sampai Stephen Strogatz , seorang ahli matematika di Cornell University, menemukan itu, mempelajari materi konferensi dua tahun kemudian. "Ketika saya menyadari apa yang saya lihat di tangga lagu, saya tidak percaya ini," kata Strogac.

"Sangat aneh bahwa Semesta tampak sama di tempat yang berbeda" dari sistem. Dan pada saat yang sama, oscillator bereaksi secara berbeda terhadap kondisi yang identik, beberapa dari mereka disusun bersama, sementara yang lain berjalan dengan caranya sendiri, seolah-olah mereka tidak digabungkan dengan apa pun. Simetri sistem "pecah," kata Strogac, "dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya."

Strogac dan mahasiswa pascasarjana Daniel Abrams , yang sekarang mempelajari sinkronisasi sebagai profesor di Universitas Northwestern, telah mereproduksi campuran aneh dari sinkronisasi dan asinkron dalam simulasi komputer mereka sendiri dan mempelajari kondisi untuk penampilannya. Strogac menyebutnya "keadaan chimeric" untuk menghormati monster api bernafas mitologis yang terbuat dari bagian yang tidak kompatibel. (Beberapa bulan sebelumnya, Strogac menulis buku sains populer Sync tentang prevalensi sinkronisasi global).

Dua tim independen, bekerja dengan sistem fisik yang berbeda, menyadari keadaan chimeric ini di laboratorium pada tahun 2012, dan sejak itu banyak eksperimen telah dilakukan. Banyak peneliti mencurigai bahwa keadaan chimeric muncul secara alami. Otak itu sendiri, tampaknya, adalah jenis chimera yang kompleks, dalam arti bahwa ia secara simultan mendukung pemicu neuron yang sinkron dan asinkron. Tahun lalu, para peneliti menemukan kesamaan kualitatif antara destabilisasi keadaan chimeric dan kejang epilepsi. "Kami percaya bahwa penelitian lebih lanjut dapat menemukan metode terapi baru untuk memprediksi dan mengakhiri kejang," kata rekan penulis Irina Omelchenko dari Universitas Berlin.

Namun, keadaan chimeric belum sepenuhnya dipahami. Kuramoto merancang semua matematika, membenarkan bahwa keadaan ini konsisten, dan karenanya mungkin, tetapi ini tidak menjelaskan penampilannya. Strogatz dan Abrams mengerjakan matematika lebih jauh, tetapi peneliti lain ingin mendapatkan "penjelasan fisik yang lebih intuitif," kata Strogatz, dan menambahkan: "Saya pikir kita dapat mengatakan bahwa kita masih belum sepenuhnya memahami" mengapa keadaan chimeric muncul.

Fluktuasi yang baik *

* Referensi ke lagu populer The Beach Boys - Good Vibrations / approx. perev.

Dengan ditemukannya chimera dalam ilmu sinkronisasi, era baru telah dimulai, membuka, mungkin, segudang bentuk eksotis yang dapat dilakukan sinkronisasi. Sekarang para ahli teori bekerja untuk merumuskan aturan dan alasan munculnya berbagai skema sinkronisasi. Mereka memiliki mimpi yang berani untuk memahami cara memprediksi dan mengontrol sinkronisasi dalam banyak situasi dunia nyata.

Motter dan timnya mencari aturan untuk menstabilkan sinkronisasi jaringan listrik sehingga integrasi pasokan listrik yang mudah menguap, seperti panel surya dan kincir angin, ke dalam sistem tenaga lebih stabil. Peneliti lain sedang mencari cara untuk memindahkan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain, yang mungkin berguna untuk memperbaiki aritmia jantung. Bentuk sinkronisasi baru mungkin berguna dalam enkripsi. Para ilmuwan berpendapat bahwa kerja otak dan bahkan kesadaran mungkin dapat direpresentasikan sebagai keseimbangan yang kompleks dan rumit antara sinkronisme dan asinkron.

"Topik sinkronisasi semakin penting," kata Raissa Disusa , seorang profesor ilmu komputer dan teknik di University of California, Davis. "Kami menciptakan alat baru untuk mempelajari pola-pola eksotis dan rumit ini yang melampaui sekadar membagi menjadi bagian-bagian yang disinkronkan dan acak."

Banyak pola sinkronisasi baru muncul dalam jaringan osilator dengan koneksi khusus, dan tidak hanya terhubung berpasangan, seperti yang diasumsikan dalam model Kuramoto asli. Jaringan berubah menjadi model yang lebih baik dari banyak sistem nyata, seperti otak dan Internet.

Dalam karya yang bermanfaat dari tahun 2014, Luis Pekora dari Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS dan rekan penulisnya menyusun model sinkronisasi dalam jaringan. Berdasarkan pekerjaan sebelumnya, mereka menunjukkan bahwa jaringan dibagi menjadi "cluster" dari osilator yang disinkronkan. Kasus khusus sinkronisasi klaster adalah “sinkronisasi jarak jauh”, di mana osilator yang tidak terhubung langsung satu sama lain tetap disinkronkan, membentuk sebuah cluster, sedangkan osilator yang berada di antara mereka berperilaku berbeda, biasanya menyinkronkan dengan cluster lain.

Pada 2017, kelompok Motter menemukan bahwa osilator dapat disinkronkan dari jarak jauh, bahkan jika osilator di antara mereka berperilaku tidak merata. Opsi ini "melintasi sinkronisasi jarak jauh dengan keadaan chimeric," katanya. Dia dan rekannya menyarankan bahwa kondisi ini mungkin terkait dengan pemrosesan informasi oleh neuron, karena pemicu yang disinkronkan kadang-kadang menyebar ke area besar di otak. Selain itu, kondisi ini dapat mengarah pada penciptaan bentuk komunikasi dan enkripsi baru.

Dan ada juga sinkronisasi kacau , di mana osilator, yang tidak dapat diprediksi secara terpisah, masih disinkronkan dan dikembangkan bersama.

Sementara para ahli teori mempelajari matematika yang mendasari keadaan eksotis ini, para peneliti mengembangkan platform baru yang lebih baik untuk studi mereka. "Semua orang lebih suka sistem mereka sendiri," kata Matthew Matheny dari California Institute of Technology. Dalam sebuah karya di majalah Science dari bulan lalu, Matheny, Dysus, Michael Rawks dan 12 penulis bersama mereka berbicara tentang seluruh kebun binatang negara bagian baru yang sinkron dalam jaringan "osilator nanoelectromechanical", atau NEM - pada dasarnya gendang telinga listrik miniatur. Para peneliti mempelajari cincin delapan NEM, getaran yang masing-masing mengirim impuls listrik ke tetangga terdekat di cincin. Terlepas dari kesederhanaan sistem delapan osilator ini, "kami mulai menemukan banyak hal gila," kata Matheny.

Para peneliti telah mendokumentasikan 16 status sinkron yang dimasukkan sistem dalam kondisi awal yang berbeda, meskipun mungkin ada jumlah yang jauh lebih besar dan status yang lebih jarang. Dalam banyak kasus, NEM terputus dari tetangga terdekat mereka dan disinkronkan dari jarak jauh, bergetar secara bertahap dengan membran kecil yang terletak di tempat lain di cincin. Misalnya, dalam satu kasus, dua tetangga terdekat berosilasi bersama, tetapi pasangan berikutnya berada dalam fase yang berbeda; pasangan ketiga disinkronkan dengan yang pertama, dan yang keempat dengan yang kedua. Mereka juga menemukan kondisi yang mirip dengan chimera (walaupun sulit untuk membuktikan bahwa sistem sekecil itu adalah chimera sejati).






Dalam percobaan dengan cincin delapan osilator berpasangan, banyak urutan sinkronisasi ditemukan. Dalam keadaan "miring" dari atas, fase masing-masing osilator berbeda dari tetangga dengan nilai tertentu. Di tengah adalah "gelombang mengembara", dan hanya panah yang berlawanan tetap dalam fase. Di bawah ini adalah keadaan "chimera dengan pengisian ulang noise". Dua set panah selalu disinkronkan, dan panah di antara mereka tampaknya secara acak masuk ke sinkronisasi dengan tetangga mereka dan keluar.

NEM lebih rumit daripada osilator Kuramoto sederhana, karena frekuensi osilasi mereka mempengaruhi amplitudo mereka (secara kasar, volume). Non-linearitas independen NEM internal ini mengarah pada penampilan hubungan matematika yang kompleks di antara mereka. Sebagai contoh, fase satu dapat mempengaruhi amplitudo tetangga, yang pada gilirannya mempengaruhi fase tetangga berikutnya. Cincin NEM berfungsi sebagai "mediator untuk hal-hal lain yang tidak diketahui," kata Strogac. Ketika Anda menghidupkan variabel kedua, misalnya, variasi amplitudo, "kebun binatang baru fenomena muncul."

Rocks, seorang profesor fisika, fisika terapan dan bioteknologi di Caltech, lebih tertarik pada perilaku jaringan besar, seperti otak, yang berasal dari sifat-sifat cincin NEM, "Ini semua adalah hal yang sangat mendasar dibandingkan dengan kompleksitas otak," katanya. "Jika kita telah menyaksikan ledakan kompleksitas, cukup masuk akal untuk mengasumsikan bahwa jaringan 200 miliar node dan 2.000 triliun koneksi akan mengalami kesulitan untuk mendukung kesadaran."

Simetri yang rusak

Dalam mencari pemahaman dan kontrol atas sinkronisasi, para ilmuwan berusaha untuk menetapkan aturan matematika yang mengatur penampilan berbagai jenis sinkronisasi. Masalah ini belum dipecahkan, tetapi sudah jelas bahwa sinkronisasi adalah manifestasi langsung dari simetri, serta pelanggarannya.

Koneksi antara sinkronisasi dan simetri pertama kali didirikan oleh Pekora dan rekan penulisnya dalam karya mereka tahun 2014 tentang sinkronisasi cluster. Para ilmuwan telah menghubungkan berbagai kelompok yang disinkronkan yang dapat terjadi di jaringan osilator dengan simetri jaringan. Dalam konteks ini, simetri berarti kemungkinan mengganti osilator dengan tempat-tempat tanpa mengubah jaringan, seperti persegi dapat diputar 90 derajat atau dipantulkan secara horizontal, vertikal atau diagonal tanpa mengubah penampilannya.

Dysusa, Matheny dan rekan mereka menerapkan formalisme kuat yang sama dalam studi NEM terbaru mereka. Secara kasar, cincin delapan NEM memiliki simetri segi delapan. Tetapi dengan getaran delapan membran kecil dan pengembangan sistem, beberapa simetri ini hancur secara spontan; NEM dibagi menjadi beberapa kelompok sinkron yang sesuai dengan subkelompok dalam kelompok simetri D8, yang mendefinisikan semua metode rotasi dan refleksi oktagon, sehingga tidak berubah. Misalnya, ketika NEM disinkronkan dengan tetangga terdekat mereka, menyebarkan pola osilasi di sepanjang cincin dalam pola kotak-kotak, D8 direduksi menjadi D4 subkelompok. Ini berarti bahwa jaringan NEM dapat diputar oleh dua posisi atau membalik relatif terhadap dua sumbu tanpa mengubah pola.

Bahkan chimera dapat diekspresikan dalam bahasa cluster dan subkelompok simetri. "Bagian yang disinkronkan adalah satu cluster tersinkronisasi besar, dan bagian yang tidak sinkron adalah sekelompok cluster individu," kata Joe Hart, seorang peneliti di Laboratorium Penelitian Angkatan Laut, bekerja dengan Pecor dan Motter.

Sinkronisasi tampaknya muncul dari simetri, namun para ilmuwan juga menemukan bahwa asimetri membantu menstabilkan keadaan yang disinkronkan. "Agak paradoksal," Hart mengakui.Pada bulan Februari, Motter, Hart, Raj Roy dari University of Maryland, dan Yuanzhao Zhang dari Northwestern University mengatakan kepada Physical Review Letters bahwa memperkenalkan asimetri dalam sebuah cluster sebenarnya meningkatkan sinkronisasi. Sebagai contoh, organisasi komunikasi satu arah dari dua osilator bukan dua arah tidak hanya tidak melanggar sinkronisasi cluster, tetapi membuatnya lebih tahan terhadap kebisingan dan gangguan dari sisa jaringan.

Penemuan yang terkait dengan asimetri ini dikonfirmasi oleh eksperimen dengan jaringan energi buatan. Pada pertemuan komunitas fisik Amerika di Boston bulan lalu, Motter mempresentasikan hasil yang tidak dipublikasikan yang menyatakan bahwa "lebih mudah bagi generator untuk berosilasi dengan frekuensi yang persis sama jika parameter mereka dikonfigurasikan secara berbeda secara berbeda dengan cara khusus," katanya. Dia percaya bahwa kecenderungan alam untuk asimetri akan memfasilitasi tugas sinkronisasi stabil berbagai sumber energi.

"Dengan menciptakan kombinasi sinkronisasi dan asinkron yang tepat, Anda dapat menyelesaikan berbagai masalah," kata Kuramoto dalam email. - Tanpa ragu, proses evolusi biologis bertanggung jawab atas mekanisme yang sangat berguna ini. Saya pikir sistem yang diciptakan manusia juga akan menjadi lebih fleksibel jika Anda memperkenalkan dukungan untuk mekanisme serupa di dalamnya. ”