Cientistas descobriram novas formas exóticas de sincronização

Em um mundo que parece cheio de caos, os físicos descobriram novas formas de sincronização e agora estão aprendendo a prever e controlá-las.

Vaga-lumes masculinos da espécie Luciola cruciata sincronizam surtos nas margens de um rio no Japão

Quando os aplausos incoerentes da multidão repentinamente se transformam em um único pulso, quando todos começam a aplaudir em uníssono - quem decidiu que será assim? Nem você, nem outra pessoa. Grilos produzem sons de forma síncrona; metrônomos próximos balançam ao mesmo tempo; alguns vaga-lumes piscam juntos no escuro. Nos Estados Unidos, a rede opera com uma frequência de 60 Hz e todas as suas inúmeras entradas de CA são sincronizadas por conta própria. Nossa vida depende da sincronização. Os neurônios do cérebro são ativados por ondas síncronas para controlar nosso corpo e mente, e as células do marcapasso são sincronizadas, criando um batimento cardíaco.

Objetos com ritmo sincronizam-se naturalmente. No entanto, ninguém descreveu esse fenômeno até 1665, quando o físico e inventor holandês Christian Huygens passou vários dias na cama devido a uma doença. Algumas horas com um pêndulo pendurado na parede ao lado dele - ele inventou esses dispositivos. Huygens notou que os pêndulos oscilam exatamente em uníssono, aproximando-se e depois afastando-se um do outro. Talvez eles estejam sincronizados pela pressão do ar? Ele conduziu muitas experiências. Por exemplo, definir a tabela verticalmente entre eles não afetou a sincronização. No entanto, quando ele afastou o relógio e em ângulo reto, eles logo ficaram fora de sincronia. No final, Huygens decidiu que a "simpatia" do relógio, como ele chamava, se devia aos golpes transmitidos pelos pêndulos do relógio entre si através da parede.

Quando o pêndulo esquerdo balança para a esquerda, ele golpeia a parede e move o outro pêndulo para a direita, e vice-versa. Os relógios trocam golpes entre si até chegarem ao estado mais estável e relaxado da parede. O comportamento mais estável para os pêndulos será o movimento em direções opostas, quando cada um deles empurra o outro na direção em que ele se move - como como você balança uma criança em um balanço. Para uma parede, essa opção é a mais fácil; ele não se move mais, pois os pêndulos se dizem da mesma forma, mas em sentido oposto, chuta. O sistema não se desvia mais desse estado síncrono auto-sustentável. Muitos sistemas são sincronizados por razões semelhantes e os choques neles são substituídos por outras formas de interação.


Um esboço de um experimento de Huygens com algumas horas com um pêndulo e sua tentativa de entender a sincronização. "B voltou à posição BD quando A está em AG, enquanto a suspensão A é puxada para a direita e, portanto, a vibração do pêndulo A é acelerada", escreveu ele. “B está novamente em BK quando A retorna à posição AF, enquanto a suspensão B puxa para a esquerda e, portanto, a vibração do pêndulo B diminui. Portanto, quando a vibração do pêndulo B diminui uniformemente e A acelera, eles devem necessariamente se mover em diferentes fases ".

Outro holandês, Engelbert Kempfer , viajou para a Tailândia em 1690 e assistiu lá como vagalumes locais piscarem simultaneamente "com a maior regularidade e precisão". Dois séculos depois, o físico inglês John William Strett (mais conhecido como Lord Rayleigh) observou que, se você colocar dois tubos de órgão lado a lado, isso leva ao fato de que "os tubos começam a falar em uníssono absoluto, apesar de pequenas diferenças inevitáveis". Os engenheiros de rádio da década de 1920 descobriram que conectar dois geradores elétricos com frequências diferentes os faz vibrar em uma frequência comum - esse princípio é subjacente aos sistemas de transmissão de rádio.

Foi apenas em 1967 que o chilrear pulsante dos grilos inspirou o biólogo teórico americano Art Winfrey a criar um modelo matemático de sincronização. A equação de Winfrey era muito complicada para resolver, mas em 1974, o físico japonês Yoshiki Kuramoto entendeu como simplificar a matemática. O modelo de Kuramoto descreveu uma população de osciladores (objetos que têm um ritmo, como metrônomo ou coração) e mostrou por que os osciladores conectados são sincronizados espontaneamente.

Kuramoto, então com 34 anos, não tinha muita experiência em dinâmica não linear - o estudo de ciclos de feedback que ligavam variáveis. Quando ele mostrou seu modelo a especialistas em seu campo, eles não viram seu significado. Frustrado, ele abandonou este trabalho.

Cinco anos depois, Winfrey encontrou um resumo do discurso de Kuramoto sobre seu modelo e percebeu que ele fornece uma nova e revolucionária compreensão do fenômeno sutil que permeia o mundo inteiro. A matemática de Kuramoto acabou sendo multifacetada e expansível o suficiente para ser responsável pela sincronização de aglomerados de neurônios, vaga-lumes, células cardíacas, estorninhos em um bando, reagindo com produtos químicos, corrente alternada e um grande número de outras populações de "osciladores" interconectados.

"Eu não podia imaginar que meu modelo teria um uso tão difundido", disse Kuramoto, agora com 78 anos, em um e-mail.

No entanto, apesar da universalidade do modelo Kuramoto, todas as ilusões dos físicos sobre a compreensão da sincronização caíram em 2001. E novamente Kuramoto estava no centro do que estava acontecendo.

Os relógios são diferentes

No modelo original de Kuramoto, o oscilador pode ser representado por uma seta girando em círculo em uma determinada frequência natural. (Se for um vaga-lume, pode piscar sempre que a seta apontar para cima). Quando duas setas estão conectadas, a força de sua interação depende do seno do ângulo entre suas direções. Quanto maior o ângulo, maior o seno e mais forte a influência mútua. Somente quando as setas são paralelas e giram juntas, elas param de se influenciar. Portanto, as setas se moverão até detectar o estado de sincronização. Mesmo osciladores com diferentes frequências naturais, quando combinados, alcançam um compromisso e oscilam em conjunto.

No entanto, essa imagem básica explica apenas uma pequena parte da sincronização geral, na qual a população de osciladores faz a mesma coisa. Embora essa sincronização esteja em sua forma mais simples, “existem muitos exemplos de sincronização global; portanto, as pessoas prestam muita atenção a isso ”, disse Edilson Motter , físico da Northwestern University of Chicago e um dos principais especialistas em sincronização. “Mas em 2001, Kuramoto descobriu algo completamente diferente. E a partir daqui começa a história de várias condições. ”


Yoshiki Kuramoto, professor de física na Universidade de Kyoto

O primeiro novo tipo de comportamento sincronizado em uma população de osciladores acoplados simulados em um computador foi o pós-cais Kuramoto da Mongólia, Dorjsuren Battogtokh, que observou. Osciladores idênticos, igualmente conectados com os vizinhos, de alguma forma dividiram-se em dois grupos: alguns oscilaram sincronicamente, outros incoerentemente.

Kuramoto apresentou a descoberta feita por ele e Buttogtoch em 2001, em Bristol, mas esse resultado não foi percebido pela comunidade até Stephen Strogatz , matemático da Universidade de Cornell, a encontrar, estudando os materiais da conferência dois anos depois. "Quando percebi o que vejo nas paradas, não acreditei nisso", disse Strogac.

"Era muito estranho que o Universo parecesse o mesmo em lugares diferentes" do sistema. E, ao mesmo tempo, os osciladores reagiram de maneira diferente a condições idênticas, alguns empilhados, enquanto outros seguiram seu próprio caminho, como se não estivessem combinados com nada. A simetria do sistema "quebrou", disse Strogac, "de uma maneira sem precedentes".

Strogac e seu aluno de pós-graduação Daniel Abrams , que agora estuda sincronização como professor na Northwestern University, reproduziram essa estranha mistura de sincronismo e assincronia em suas próprias simulações de computador e estudaram as condições para sua aparência. Strogac chamou de "estado quimérico" em homenagem a um monstro mitológico que cospe fogo, feito de partes incompatíveis. (Alguns meses antes, Strogac escreveu o popular livro de ciências Sync sobre a prevalência da sincronização global).

Duas equipes independentes, trabalhando com sistemas físicos diferentes, perceberam esse estado quimérico no laboratório em 2012 e, desde então, muitos outros experimentos foram realizados. Muitos pesquisadores suspeitam que os estados quiméricos apareçam naturalmente. O próprio cérebro, aparentemente, é um tipo complexo de quimera, no sentido em que suporta simultaneamente o disparo síncrono e assíncrono de neurônios. No ano passado, os pesquisadores encontraram uma similaridade qualitativa entre a desestabilização dos estados quiméricos e as crises epilépticas. "Acreditamos que novas pesquisas podem descobrir novos métodos terapêuticos para prever e terminar convulsões", disse a co-autora Irina Omelchenko, da Universidade de Berlim.

No entanto, o estado quimérico ainda não está totalmente esclarecido. Kuramoto projetou toda a matemática, confirmando que esse estado é consistente e, portanto, possível, mas isso não explica sua aparência. Strogatz e Abrams trabalharam ainda mais a matemática, mas outros pesquisadores gostariam de obter uma "explicação física mais intuitiva", disse Strogatz, e acrescentou: "Acho que podemos dizer que ainda não entendemos completamente" por que o estado quimérico surge.

Boas flutuações *

* Referência à música popular The Beach Boys - Boas vibrações / aprox. perev.

Com a descoberta das quimeras na ciência da sincronização, uma nova era começou, abrindo, presumivelmente, a miríade de formas exóticas que a sincronização pode assumir. Agora, os teóricos estão trabalhando para formular as regras e razões para o aparecimento de vários esquemas de sincronização. Eles têm sonhos ousados ​​de entender como prever e controlar a sincronização em muitas situações do mundo real.

Motter e sua equipe estão procurando regras para estabilizar a sincronização de redes de energia, para que a integração de fontes de energia voláteis, como painéis solares e moinhos de vento, no sistema de energia seja mais estável. Outros pesquisadores estão procurando maneiras de mover sistemas de um estado para outro, o que pode ser útil para corrigir arritmias cardíacas. Novas formas de sincronização podem ser úteis na criptografia. Os cientistas argumentam que o trabalho do cérebro e até da consciência talvez possam ser representados como um equilíbrio complexo e delicado de sincronismo e assincronia.

"O tópico da sincronização está ganhando muita importância ", disse Raissa Disusa , professora de ciência da computação e engenharia da Universidade da Califórnia, em Davis. "Estamos criando novas ferramentas para estudar esses padrões exóticos e complexos que vão além da simples divisão em seções sincronizadas e aleatórias".

Muitos dos novos padrões de sincronização surgem em redes de osciladores com conexões especiais, e não apenas conectadas em pares, como foi assumido no modelo Kuramoto original. As redes acabam sendo modelos melhores de muitos sistemas reais, como o cérebro e a Internet.

Em um trabalho frutífero de 2014, Luis Pekora, do Laboratório de Pesquisa da Marinha dos EUA e seus co-autores, montaram um modelo de sincronização nas redes. Com base no trabalho anterior, eles mostraram que as redes são divididas em "aglomerados" de osciladores sincronizados. Um caso especial de sincronização de cluster é a "sincronização remota", na qual os osciladores que não estão diretamente conectados um ao outro são sincronizados de qualquer maneira, formando um cluster, enquanto os osciladores localizados entre eles se comportam de maneira diferente, geralmente sincronizando com outro cluster.

Em 2017, o grupo Motter descobriu que os osciladores podem ser sincronizados remotamente, mesmo que os osciladores entre eles se comportem de maneira desigual. Essa opção "cruza a sincronização remota com estados quiméricos", afirmou ele. Ele e colegas sugeriram que essa condição pode estar relacionada ao processamento de informações pelos neurônios, uma vez que o disparo sincronizado às vezes se espalha por grandes áreas do cérebro. Além disso, essa condição pode levar à criação de novas formas de comunicação e criptografia.

E também há sincronização caótica , na qual os osciladores, sendo imprevisíveis separadamente, ainda são sincronizados e desenvolvidos juntos.

Enquanto os teóricos estudam a matemática subjacente a esses estados exóticos, os pesquisadores estão desenvolvendo novas plataformas aprimoradas para seus estudos. "Todo mundo prefere seu próprio sistema", disse Matthew Matheny, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Em um trabalho publicado na revista Science no mês passado, Matheny, Dysus, Michael Rox e 12 de seus co-autores falaram sobre todo o zoológico de novos estados síncronos em uma rede de "osciladores nanoeletromecânicos", ou NEM - tímpanos elétricos essencialmente em miniatura. Os pesquisadores estudaram um anel de oito NEMs, cujas vibrações enviaram impulsos elétricos para seus vizinhos mais próximos. Apesar da simplicidade desse sistema de oito osciladores, "começamos a descobrir muitas coisas loucas", disse Matheny.

Os pesquisadores documentaram 16 estados síncronos em que o sistema entrou sob diferentes condições iniciais, embora possa haver um número muito maior deles e estados mais raros. Em muitos casos, os NEMs se desconectavam dos vizinhos mais próximos e sincronizavam remotamente, vibrando em fase com pequenas membranas localizadas em outras partes do anel. Por exemplo, em um caso, os dois vizinhos mais próximos oscilaram juntos, mas o próximo par estava em uma fase diferente; o terceiro par sincronizou com o primeiro e o quarto com o segundo. Eles também descobriram condições semelhantes às quiméricas (embora seja difícil provar que um sistema tão pequeno é uma verdadeira quimera).






Em experimentos com um anel de oito osciladores acoplados, muitas seqüências de sincronização foram encontradas. No estado "inclinado" de cima, as fases de cada um dos osciladores diferem das vizinhas por um determinado valor. No meio, há uma "onda errante", e apenas flechas opostas permanecem em fase. Abaixo está o estado da "quimera com recarga de ruído". Dois conjuntos de flechas são sempre sincronizados, e as flechas entre eles parecem entrar em sincronização aleatoriamente com seus vizinhos e sair dela.

O NEM é mais complicado que os simples osciladores Kuramoto, pois a frequência de suas oscilações afeta sua amplitude (grosso modo, volume). Essa não linearidade interna independente do NEM leva ao aparecimento de complexas relações matemáticas entre eles. Por exemplo, a fase de um pode afetar a amplitude do vizinho, que por sua vez afeta a fase do próximo vizinho. O anel do NEM serve como "mediador de outras coisas desconhecidas", disse Strogac. Quando você ativa a segunda variável, por exemplo, variações de amplitude, "um novo zoológico de fenômenos surge".

Rocks, professor de física, física aplicada e bioengenharia da Caltech, está mais interessado em quais comportamentos de grandes redes, como o cérebro, resultam das propriedades do anel NEM: "Essas são coisas muito básicas em comparação com a complexidade do cérebro", disse ele. "Se já estamos testemunhando uma explosão de complexidade, é bastante razoável supor que uma rede de 200 bilhões de nós e 2.000 trilhões de conexões terá dificuldades para apoiar a consciência".

Simetria quebrada

Em busca da compreensão e controle da sincronização, os cientistas estão tentando estabelecer regras matemáticas que governam a aparência de vários tipos de sincronização. Esse problema ainda não foi resolvido, mas já está claro que a sincronização é uma manifestação direta de simetria, além de sua violação.

A conexão entre sincronização e simetria foi estabelecida pela primeira vez por Pekora e seus co-autores em seu trabalho de 2014 sobre sincronização de cluster. Os cientistas vincularam vários grupos sincronizados que podem ocorrer em uma rede de osciladores à simetria da rede. Nesse contexto, simetria significa a possibilidade de substituir os osciladores por locais sem alterar a rede, como um quadrado pode ser girado 90 graus ou refletido na horizontal, vertical ou diagonal sem alterar sua aparência.

Dysusa, Matheny e seus colegas aplicaram o mesmo formalismo poderoso em seus estudos mais recentes sobre o NEM. Grosso modo, um anel de oito NEM possui simetria octogonal. Mas com a vibração de oito pequenas membranas e o desenvolvimento do sistema, algumas dessas simetrias são espontaneamente quebradas; Os NEM são divididos em grupos síncronos correspondentes aos subgrupos no grupo de simetria D8, que define todos os métodos de rotação e reflexão do octógono, mantendo-o inalterado. Por exemplo, quando os NEMs são sincronizados com o vizinho mais próximo, propagando padrões de oscilações ao longo do anel em um padrão quadriculado, D8 é reduzido a um subgrupo D4. Isso significa que a rede NEM pode ser girada em duas posições ou invertida em relação a dois eixos sem alterar o padrão.

Até quimeras podem ser expressas na linguagem de aglomerados e subgrupos de simetria. "A parte sincronizada é um grande cluster sincronizado e a parte dessincronizada é um monte de clusters individuais", disse Joe Hart, pesquisador do Laboratório de Pesquisa da Marinha, colaborando com Pecor e Motter.

A sincronização parece surgir da simetria e, no entanto, os cientistas também descobriram que a assimetria ajuda a estabilizar os estados sincronizados. "É um pouco paradoxal", admitiu Hart. , , - Physical Review Letters, . , , .

, , . , , « , , - », . , .

« , , — . – , . , , ».