Zur Entstehung von Shape: Es gibt keine Magie in der Remote-Synchronisation

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Anonim

In einigen physikalischen Systemen können sogar Elemente, die ziemlich weit voneinander entfernt sind, ihre Aktionen synchronisieren. Auf den ersten Blick erscheint das Phänomen mysteriös. Die Forscher des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau haben gezeigt, dass die Fernsynchronisation, zumindest in bestimmten Fällen, relativ klar erklärt werden kann, indem man ein Netzwerk von einfachen elektronischen Oszillatoren verwendet, die ringförmig miteinander verbunden sind.

Die faszinierendsten physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse sind wahrscheinlich diejenigen, in denen "etwas" von "nichts" kommt. Warum erscheinen beispielsweise konzentrische Ringe plötzlich in einer scheinbar homogenen Flüssigkeitsschicht, wie im Fall der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion? Warum kann eine Hydra viele Tentakeln haben, immer so regelmäßig angeordnet? Warum fangen in einem Netzwerk aus einem Dutzend einfacher elektronischer Oszillatoren, die in einem Ring verbunden sind, plötzlich einige Remote-Elemente an, im selben Rhythmus zu arbeiten? An der Wurzel ähnlicher Phänomene in solchen unterschiedlichen Systemen gibt es universelle, wenn auch noch immer wenig verstandene Mechanismen zur Synchronisierung der Aktivität der Systemkomponenten. Die Nuancen eines dieser Mechanismen wurden gerade von Wissenschaftlern des Instituts für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau in enger Zusammenarbeit mit Kollegen von der Universität von Palermo und der Universität von Catania in Italien erklärt.

Die Synchronisation, die zur Geburt der Form führt (die eine Form der Morphogenese darstellt), kann in Systemen unterschiedlicher Natur auftreten, und verschiedene Mechanismen können für sein Auftreten verantwortlich sein. Eine Metapher für eine repräsentative Situation ist, dass sich in einer ziemlich einheitlichen Gruppe von Gästen, die sich auf einer großen Party nicht kennen, schnell deutlich sichtbare Gruppen ähnlicher Interessen bilden, innerhalb derer die Menschen die meiste Zeit miteinander reden. Diese Art von Phänomen - das Ergebnis bestimmter Merkmale bestimmter Elemente oder zufälliger Ereignisse - wird als Cluster-Synchronisation bezeichnet. Es ist in vielen physikalischen Systemen vorhanden, zum Beispiel zwischen Neuronen im menschlichen Gehirn.

"In unserer neuesten Forschung haben wir uns mit einer Instanz einer verwandten Art der Synchronisation, der Fernsynchronisation, befasst. Dies ist der Fall, wenn Elemente oder Gruppen von Elementen, die nicht direkt miteinander verbunden sind, ihre Aktivität synchronisieren, ohne dabei die andere zu übernehmen Elemente, durch die die Synchronisationsinformationen verbreitet werden.Es ähnelt einer Situation, in der zwei Menschen Informationen miteinander durch einen Kurier austauschen, aber der Kurier kann nicht nur den Inhalt der Nachrichten lesen, sondern ist sich oft auch völlig der Existenz eines Verborgenen nicht bewusst ", erklärt Dr. Ludovico Minati (IFJ PAN), der Hauptautor der Veröffentlichung in der bekannten wissenschaftlichen Zeitschrift Chaos.

Bislang wurden verschiedene Vorkommnisse der Fernsynchronisation beschrieben, und es wird angenommen, daß die Fernsynchronisation zwischen voneinander entfernten Bereichen des Gehirns, zwischen meteorologischen Phänomenen über verschiedenen Kontinenten und sogar zwischen Elementen elektronischer Schaltungen auftritt. Im Jahr 2015 beschrieb Dr. Minati, damals an der Universität von Trient, eine Instanz dieser Art von Synchronisation in Netzwerken, die aus nur einem Dutzend einfacher elektronischer Oszillatoren aufgebaut waren, die als Ring hintereinander geschaltet waren. Es wurde dann bemerkt, dass einzelne Oszillatoren versuchten, nicht nur mit ihren nächsten Nachbarn auf dem Ring, sondern auch mit einigen entfernteren zu synchronisieren, während sie gleichzeitig weniger desynchronisiert mit anderen waren, die sich in einer mittleren Entfernung befanden.

"Wir haben diesen Effekt mit echter Faszination beobachtet, weil er in einem Gerät auftritt, das viel kleiner, aber vor allem einfacher als das Gehirn ist. Das Phänomen wurde ausführlich beschrieben. Leider konnten wir seine Natur nicht vollständig verstehen. Wir haben nur hat in unserer jüngsten Publikation eine zufriedenstellende Erklärung geliefert ", sagt Dr. Minati.

Forscher der IFJ PAN untersuchten Ringe von Oszillatoren experimentell und mit Hilfe von Computersimulationen. Die Beobachtung, dass sich Information in den Ringen mit nicht einer, sondern drei Frequenzen ausbreiten muss, stellte sich als Durchbruch heraus (in dieser Hinsicht ähnelt das Phänomen der in der Funktechnik verwendeten Amplitudenmodulation). Jeder Oszillator erzeugte nicht nur sein eigenes Signal chaotischer Natur, sondern reagierte auch auf Signale, die von nahegelegenen Oszillatoren stammten, und transferierte sie zu den anderen zwei Bändern. Abhängig von ihrer Phase in einem gegebenen Oszillator wurden diese Signale auf ähnliche Weise wie ein Interferenzeffekt verstärkt oder abgeschwächt. Die Forscher beobachteten dementsprechend Muster, die an die aus der Optik bekannten Beugungsbänder erinnern. Fluktuationen der Synchronisationsintensität, die zu "Entferntheit" führten, traten zwischen Oszillatoren auf, in denen konstruktive oder destruktive Interferenz auftrat.

Um die Natur der beobachteten Synchronisation besser zu verstehen, unterzogen die Krakauer Physiker die Oszillatorringe zusätzlichen Tests. Die Empfindlichkeit der Synchronisation für hochintensives Rauschen, das an verschiedenen Stellen des Systems eingeführt wurde, wurde getestet, und eine unterschiedliche Anzahl von Oszillatoren im Ring wurde zusammen mit den Effekten, die an seiner Öffnung erscheinen, simuliert. Die Analyse der Ergebnisse machte es möglich festzustellen, dass die Fernsynchronisation in den untersuchten Oszillatorringen nicht so sehr eine globale Eigenschaft des gesamten Systems ist, sondern das Ergebnis der lokalen Interaktionen einzelner Oszillatoren mit ihrer Umgebung. Gleichzeitig untersuchten die Forscher, ob mit der Fernsynchronisation ein von außen in das System eingeführtes Signal übertragen werden kann. Das Ergebnis war jedoch negativ.

"Das Verständnis der Mechanismen, die mit dem Auftreten komplexer Interdependenzen zwischen Elementen in Systemen unterschiedlicher Natur verbunden sind, stellt eine große Herausforderung in der nicht-linearen Wissenschaft dar. Wir haben immer noch ein begrenztes Verständnis der Mechanismen, die für die meisten Arten der Fernsynchronisation verantwortlich sind Diese Prozesse hätten eine erhebliche theoretische und praktische Bedeutung. Wer weiß? Vielleicht könnten wir beispielsweise kollektives Verhalten in verschiedenen sozialen Netzwerken oder sogar auf Finanzmärkten besser vorhersagen ", sagt Prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Technische Universität Krakau)..

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