在这个看起来充满混乱的世界中，物理学家发现了新的同步形式，现在正在学习预测和控制它们。
Luciola cruciata物种的雄性萤火虫使日本河岸上的暴发同步当人群不协调的掌声突然变成一个单一的脉搏时，当每个人都开始一致鼓掌时，谁会这样决定？ 不是你，不是别人。 同步发出声音； 附近的节拍同时摆动； 一些萤火虫在黑暗中一起闪烁。 在整个美国，电网以60 Hz的频率运行，并且其无数的AC流入都自行同步。 我们的生活取决于同步。 大脑中的神经元被同步波激活，以控制我们的身心，
起搏器的细胞
也被同步化，从而产生心跳。
具有节奏的对象自然地同步。 但是，直到1665年，荷兰物理学家和发明家
克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens）因病卧床数天，才有人描述这种现象。 在他旁边的墙上悬挂着一个钟摆的几个小时-他发明了这些设备。 惠更斯注意到钟摆完全一致地摆动，彼此靠近，然后彼此远离。 也许它们是通过气压同步的？ 他进行了许多实验。 例如，在两个表之间垂直设置表不会影响同步。 但是，当他将时钟移开并成直角时，它们很快就不同步了。 最后，惠更斯认为，手表的“同情”是由于钟摆通过墙壁彼此传递的打击。
当左摆向左摆动时，它将向墙壁传递冲击，并将另一个摆向右移动，反之亦然。 手表彼此交换笔触，直到它们与墙壁达到最稳定和放松的状态。 摆锤最稳定的行为是朝相反的方向移动，当每个摆锤朝对方移动的方向推动对方时，就像您在秋千上摆动孩子的方式一样。 对于墙，此选项是最简单的。 它不再移动了，因为摆锤彼此相同，但方向相反。 系统不再偏离这种自我维持的同步状态。 许多系统出于类似的原因而被同步，并且其中的冲击被其他形式的交互所替代。
惠更斯实验的草图，摆了几个小时，并尝试理解同步。 他写道：“当A在AG中时，B再次经过BD位置，而悬架A向右拉，因此，摆A的振动被加速，”他写道。 “当A返回位置AF时，B又回到BK，而悬架B向左拉，因此摆B的振动变慢。 因此，当摆B的振动均匀地减慢而A加速时，它们必然必须以不同的相位运动。另一位荷兰人
Engelbert Kempfer于1690年前往泰国，看着那里的萤火虫同时“以最大的规律性和准确性”同时眨眼。 两个世纪后，英国物理学家
约翰·威廉·斯特雷特 （
John William Strett） （更好地称为瑞利勋爵）指出，如果将两个器官管并排放置，这将导致这样的事实：“尽管有一些不可避免的差异，但这些管开始绝对一致地讲话”。 1920年代的无线电工程师发现，连接两个具有不同频率的发电机会使它们以相同的频率振动-这个原理是无线电传输系统的基础。
直到1967年，the的声才激发了美国理论生物学家Art Winfrey创造了同步的
数学模型 。 温弗瑞的方程式太复杂而无法解决，但是在1974年，日本物理学家
仓本佳树 （
Yoshiki Kuramoto）理解了如何简化数学。 仓本模型描述了一组振荡器（具有节拍的对象，例如节拍器或心脏），并说明了为什么连接的振荡器会自发同步。
当时34岁的仓本（Kuramoto）在非线性动力学方面没有太多的经验，非线性动力学是将变量链接在一起的反馈回路的研究。 当他向自己的领域的专家展示模型时，他们没有看到它的重要性。 沮丧，他放弃了这项工作。
五年后，温弗瑞（Winfrey）看到了仓本关于其模型的演讲
摘要 ，并意识到它对遍及整个世界的微妙现象提供了全新的革命性理解。 仓本的数学被证明是多方面的且可扩展的，足以负责神经元，萤火虫，心脏细胞，成群的，鸟，动物与化学物质，交流电以及大量其他相互连接的“振荡器”群的同步。
“我无法想象我的模型会得到如此广泛的使用，”现年78岁的仓本在一封电子邮件中告诉我们。
然而，尽管仓本模型具有普遍性，但物理学家关于理解同步的所有幻想都在2001年崩溃了。 仓本再次成为正在发生的事情的中心。
手表走不同
在原始的仓本模型中，振荡器可以由以一定固有频率旋转的箭头表示。 （如果是萤火虫，每次箭头指向上方时，它可能会闪烁）。 连接两个箭头时，其交互作用的强度取决于其方向之间的夹角正弦。 角度越大，正弦越大，相互影响越强。 仅当箭头平行且一起旋转时，它们才停止相互影响。 因此，箭头将移动，直到它们检测到同步状态。 即使是具有不同自然频率的振荡器，在组合时也会达到折衷并串联振荡。
但是，此基本情况仅说明了整体同步的一小部分，其中振荡器的数量相同。 尽管这种同步是最简单的形式，但“有很多全局同步的例子； 因此，人们对此非常关注，”芝加哥西北大学物理学家，领先的同步专家
Edilson Motter说。 “但是在2001年，仓本发现了完全不同的东西。 从这里开始讲各种情况的故事。”
京都大学物理学教授仓本佳树（Yoshiki Kuramoto）藏本的蒙古博士后Dorjsuren Battogtokh注意到了在计算机上模拟的耦合振荡器群中的第一种新型同步行为。 与它们的邻居同等连接的完全相同的振荡器以某种方式分为两组：一组同步振荡，另一组不相干。
仓本
介绍了他和Buttogtoch于2001年在布里斯托尔做出
的发现 ，但是直到康奈尔大学的数学家
斯蒂芬·斯特罗加茨 （
Stephen Strogatz）遇到了这一发现，并在两年后研究会议资料后，这个结果才被社区所注意到。 “当我意识到自己在图表上看到的东西时，我不相信这一点，”斯特罗加克说。
该系统“宇宙在不同地方看起来都一样，这很奇怪”。 同时，振荡器对相同的条件有不同的反应，其中一些振荡器堆叠在一起，而另一些振荡器则按照自己的方式运行，好像它们没有与任何东西结合在一起。 Strogac说，系统的对称性“以前所未有的方式打破了”。
斯特罗加克和他的研究生
丹尼尔·艾布拉姆斯 （
Daniel Abrams ）现在在西北大学（Northwestern University）担任教授，他们在自己的计算机仿真中重现了这种奇怪的同步和异步混合现象，并
研究了其出现
的条件 。 Strogac称其为“嵌合状态”，以纪念由不兼容部件制成的神话般的喷火怪兽。 （几个月前，斯特罗加克（Strogac）就全球同步的盛行撰写了流行的科学书籍《
同步》（Sync ））。
2012年，两个独立的团队与不同的物理系统合作，在实验室中实现了这种嵌合状态，此后进行了更多的实验。 许多研究人员怀疑嵌合态是自然出现的。 大脑本身显然是复杂的嵌合体，从某种意义上说，它同时支持神经元的同步和异步触发。 去年，研究人员
发现嵌合状态的不稳定与癫痫发作之间在
质量上有相似性。 柏林大学的合著者Irina Omelchenko说：“我们相信，进一步的研究可能会发现预测和终止癫痫发作的新治疗方法。”
但是，嵌合状态尚未完全理解。 仓本设计了所有数学模型，确认这种状态是一致的，因此是可能的，但这不能解释其外观。 Strogatz和Abrams进一步进行了数学运算，但是其他研究人员希望获得“更直观，物理上的解释”，并补充说：“我认为我们还不能完全理解”为什么嵌合状态出现。
波动大*
*参考流行歌曲The Beach Boys-Good Vibrations /大约。 佩雷夫随着同步科学中嵌合体的发现，一个新的时代已经开始，大概是开放了同步可以采取的各种奇特形式。 现在，理论家正在努力制定各种同步方案出现的规则和原因。 他们有一个大胆的梦想，那就是了解在许多现实情况下如何预测和控制同步。
Motter和他的团队正在寻找规则来稳定电网的同步，以使诸如太阳能电池板和风车之类的易失性电源到电源系统的集成更加稳定。 其他研究人员正在寻找将系统从一种状态转移到另一种状态的方法，这对于纠正心律不齐可能很有用。 新的同步形式可能会在加密中派上用场。 科学家认为，大脑甚至意识的工作也许可以表示为同步和异步的复杂而微妙的平衡。
加州大学戴维斯分校计算机科学与工程学教授
Raissa Disusa说：“同步的话题变得越来越重要。” “我们正在创建新的工具来研究这些奇特而复杂的模式，而不仅仅是将其分为同步部分和随机部分。”
同步的许多新模式出现在具有特殊连接的振荡器网络中，而不仅仅是原始Kuramoto模型中假设的成对连接。 网络被证明是许多真实系统（如大脑和互联网）的更好模型。
在2014年
取得的丰硕成果中 ，美国海军研究实验室的路易斯·佩科拉（Luis Pekora）及其合作者将网络内的同步模型整合在一起。 根据以前的工作，他们表明网络被划分为同步振荡器的“集群”。 集群同步的一种特殊情况是“远程同步”，在这种情况下，彼此不直接连接的振荡器无论如何都被同步，形成一个集群，而位于它们之间的振荡器的行为则有所不同，通常与另一个集群同步。
在2017年，Motter小组
发现振荡器可以远程同步，即使它们之间的振荡器行为不均匀。 他说，该选项“使远程同步与嵌合状态相交”。 他和他的同事建议，这种情况可能与神经元的信息处理有关，因为同步触发有时会扩散到大脑的大区域。 同样，这种情况可能导致创建新的通信和加密形式。
此外，还有
混沌同步 ，其中无法单独预测的振荡器仍被同步并一起开发。
在理论家研究这些奇异状态的数学基础时，实验人员正在为他们的研究开发新的，改进的平台。 “每个人都喜欢他们自己的系统，”加州理工学院的
马修·马森尼 （
Matthew Matheny）说。 Matheny，Dysus，
Michael Rox和他们的12位合著者在上个月在《科学》杂志上发表的一篇文章中，讨论了在“纳米机电振荡器”或NEM（本质上是微型电鼓膜）网络中整个同步状态的整个动物园。 研究人员研究了一个由八个NEM组成的环，每个NEM的振动都会向环中最近的邻居发出电脉冲。 尽管这个由八个振荡器组成的系统很简单，但“我们开始发现许多疯狂的事物，”马蒂尼说。
研究人员已记录了16种同步状态，表明系统在不同的初始条件下进入，尽管其中可能存在更多的同步状态，但状态可能更罕见。 在许多情况下，NEM与最近的邻居断开连接并进行远程同步，与位于环中其他位置的微小膜同相振动。 例如，在一种情况下，两个最接近的邻居一起振荡，而下一对则处于不同的相位。 第三对与第一对同步，第四对与第二对同步。 他们还发现了与嵌合体相似的条件（尽管很难证明如此小的系统是真正的嵌合体）。
在一个由八个耦合振荡器组成的环的实验中，发现了许多同步序列。 在从上方的“倾斜”状态下，每个振荡器的相位与相邻相位的相位都相差某个值。 中间是“流浪”，只有相反的箭头保持同相。 以下是“带噪音的嵌合体”的状态。 两组箭头始终保持同步，并且它们之间的箭头似乎随机地与相邻箭头同步并退出。NEM比简单的Kuramoto振荡器更为复杂，因为它们的振荡频率会影响其幅度（大致来说是音量）。 NEM的这种内部独立的非线性导致它们之间出现复杂的数学关系。 例如，一个相位可以影响邻居的幅度，进而影响下一个邻居的相位。 Strogac说，NEM环充当“其他未知事物的调解人”。 例如，当打开第二个变量（幅度变化）时，“将出现一个新的现象动物园”。
加州理工学院的物理学，应用物理学和生物工程学教授洛克斯（Rocks）对大型网络（例如大脑）的行为源自NEM环的特性更感兴趣，“与大脑复杂性相比，这些都是非常基本的东西，”他说。 “如果我们已经目睹了复杂性的爆炸式增长，则可以合理地假设由2000亿个节点和2,000万亿个连接组成的网络将难以支撑意识。”
对称破裂
为了理解和控制同步，科学家们正在尝试建立数学规则来管理各种类型的同步。 这个问题尚未解决，但是已经很清楚，同步是对称性及其违背的直接体现。
同步和对称之间的联系最初是由Pekora及其合作者在2014年有关集群同步的工作中建立的。 科学家将具有网络对称性的振荡器网络中可能出现的各种同步组链接在一起。 在这种情况下，对称性意味着可以在不改变网络的情况下用位置替换振荡器，就像正方形可以旋转90度或在不改变外观的情况下在水平，垂直或对角线上反射一样。
Dysusa，Matheny及其同事在他们最新的NEM研究中应用了同样强大的形式主义。 粗略地说，八个NEM的环具有八边形对称性。 但是随着八个微小膜片的振动以及系统的发展，这些对称性中的一些自然被破坏了。 NEM分为对应于
对称组 D8中子组的同步组
，对称组 D8定义了八边形的所有旋转和反射方法，而保持不变。 例如，当NEM与最接近的NEM同步时，沿棋盘格模式沿环的振动传播模式，D8减少为子组D4。 这意味着NEM网络可以旋转两个位置或相对于两个轴翻转，而无需更改模式。
甚至嵌合体也可以用群集和对称子集的语言表达。 “同步部分是一个大型同步集群，而去同步部分则是一堆单独的集群，”海军研究实验室的实验人员乔·哈特（Joe Hart）与Pecor和Motter合作。
同步似乎是由对称引起的，但是科学家们还
发现 ，不对称有助于稳定同步状态。 “这有点自相矛盾，”哈特承认。 , ,
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Physical Review Letters, . , , .
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