Физика показывает, что несовершенства делают совершенным

Исследователи Северо-Западного университета добавили новое измерение к важности разнообразия.

Впервые физики экспериментально продемонстрировали, что некоторые системы с взаимодействующими объектами могут синхронизироваться, только если объекты внутри системы отличаются друг от друга.

Это открытие предлагает новый поворот к предыдущему пониманию того, как коллективное поведение, встречающееся в природе - например, светлячки, вспыхивающие в унисон, или клетки кардиостимулятора, работающие вместе, чтобы генерировать сердцебиение, - может возникнуть, даже если отдельные насекомые или клетки отличаются.

Профессор физики в Северо-западном колледже искусств и наук Вайнберга Адилсон Моттер, который руководил исследованием, объяснил, что идентичные сущности ведут себя одинаково, пока не начнут взаимодействовать.

«Когда идентичные объекты взаимодействуют, они часто ведут себя по-разному», - говорит Моттер. «Но мы определили сценарии, в которых сущности снова ведут себя одинаково, если вы сделаете их соответствующим образом отличными друг от друга».

Это открытие может помочь исследователям оптимизировать созданные человеком системы, такие как энергосистема, в которой многие части должны оставаться синхронизированными при взаимодействии друг с другом. Это также может потенциально сообщить, как группы людей, такие как присяжные, могут координировать свои действия для достижения консенсуса.

Моттер работал вместе с соавторами: Такаши Нишикава из Northwestern и Ференцем Молнаром, бывшим докторантом в Northwestern, который сейчас работает в университете Нотр-Дам.

Исследования показывают, как гуси могут координировать движение всех вместе в стаде или V-образной формации, даже если каждая отдельная птица отличается.

«Интересно, что системы должны быть асимметричными, чтобы демонстрировать поведенческую симметрию» , - сказал Нишикава. «Это замечательно математически, не говоря уже о физическом аспекте. Поэтому многие коллеги считали, что экспериментально продемонстрировать этот эффект невозможно».

Моттер и его сотрудники сделали невозможное возможным, используя три одинаковых электрогенератора. Каждый генератор колебался с частотой ровно 100 циклов в секунду. При разделении идентичные генераторы вели себя одинаково.

Когда они соединены, чтобы сформировать треугольник, их частоты расходились - но только до тех пор, пока генераторы не были должным образом не согласованы, чтобы иметь различные диссипации энергии. В этот момент они снова синхронизировались.

«Это можно визуализировать, поместив небольшую лампу между каждой парой генераторов», - пояснил Молнар. «Когда генераторы идентичны, лампа мерцает, а это означает , что генераторы не синхронизированы. Но когда диссипация генераторов является оптимальной для различных уровней, мерцание останавливается, указывая, что генераторы работают в синхронизации».

Исследователи назвали это явление «обратным нарушением симметрии», поскольку оно представляет собой противоположность ранее известному явлению нарушения симметрии, которое лежит в основе сверхпроводимости, механизма Хиггса и даже появления полос зебры.

При нарушении симметрии динамические уравнения имеют симметрию, которая не наблюдается в поведении системы, в то время как обратное нарушение симметрии касается ситуаций, в которых поведение системы имеет заданную симметрию, только когда эта симметрия избегается в динамических уравнениях.

«Это может показаться нелогичным, - сказал Моттер. «Но наша теория предсказывает, что это верно для многих систем, а не только для электромеханических».

Команда Моттера планирует изучить последствия своих выводов для социальных, технологических и биологических систем. В частности, команда активно работает над проектированием энергосистемы, которая была бы более стабильной при одновременном учете увеличения доли энергии из возобновляемых источников, пишет phys.org.