In sommige fysieke systemen, zelfs elementen die vrij ver van elkaar verwijderd zijn, kunnen hun acties synchroniseren. Op het eerste gezicht, het fenomeen lijkt mysterieus. Met behulp van een netwerk van eenvoudige elektronische oscillatoren die als een ring met elkaar zijn verbonden, onderzoekers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau hebben aangetoond dat synchronisatie op afstand kan, althans in bepaalde gevallen, heel duidelijk worden uitgelegd.

De meest fascinerende fysieke, chemische en biologische processen zijn waarschijnlijk processen waarbij 'iets' voortkomt uit 'niets'. Bijvoorbeeld, waarom verschijnen er ineens concentrische ringen in een schijnbaar homogene laag vloeistof, zoals in het geval van de Belousov-Zhabotinsky-reactie? Waarom kan een hydra veel tentakels hebben, altijd zo geregeld geregeld? Waarom in een netwerk van een tiental eenvoudige elektronische oscillatoren die in een ring zijn aangesloten, beginnen sommige externe elementen plotseling in hetzelfde ritme te werken? Aan de basis van soortgelijke fenomenen in zulke verschillende systemen, er zijn universele, hoewel nog steeds slecht begrepen, mechanismen voor het synchroniseren van de activiteit van de componenten van een systeem. De nuances van een van deze mechanismen zijn zojuist verklaard door wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, in nauwe samenwerking met collega's van de Universiteit van Palermo en de Universiteit van Catania in Italië.

Synchronisatie die leidt tot de geboorte van vorm (die een vorm van morfogenese vertegenwoordigt) kan voorkomen in systemen van diverse aard, en verschillende mechanismen kunnen verantwoordelijk zijn voor het optreden ervan. Een metafoor voor een representatieve situatie is dat in een vrij uniforme groep gasten die elkaar niet kennen op een groot feest, snel zichtbare groepen met dezelfde interesses vormen zich snel, waarbinnen de mensen het grootste deel van de tijd met elkaar praten. Dit type fenomeen - het resultaat van specifieke kenmerken van bepaalde elementen of voortkomend uit toevallige gebeurtenissen - wordt clustersynchronisatie genoemd. Het is aanwezig in veel fysieke systemen, bijvoorbeeld, tussen neuronen in het menselijk brein.

"In ons laatste onderzoek we hebben te maken gehad met een instantie van een verwant type synchronisatie, synchronisatie op afstand. Dit is wanneer elementen of groepen elementen die niet direct met elkaar verbonden zijn hun activiteit synchroniseren, maar doe dit zonder de andere elementen mee te slepen waardoor de synchronisatie-informatie wordt verspreid. Het lijkt op een situatie waarin twee mensen informatie met elkaar uitwisselen via een koerier, maar de koerier kan niet alleen de inhoud van de berichten niet lezen, maar is zich vaak totaal niet bewust van het bestaan ​​van een verborgen boodschap, " legt Dr. Ludovico Minati (IFJ PAN) uit, de hoofdauteur van de publicatie in het bekende wetenschappelijke tijdschrift Chaos .

Tot op heden zijn verschillende gevallen van synchronisatie op afstand beschreven, en synchronisatie op afstand wordt geacht plaats te vinden tussen hersengebieden die ver van elkaar verwijderd zijn, tussen meteorologische verschijnselen over verschillende continenten, en zelfs tussen elementen van elektronische schakelingen. in 2015, Dr. Minati, vervolgens aan de Universiteit van Trento, beschreef een voorbeeld van dit soort synchronisatie in netwerken die zijn opgebouwd uit slechts een tiental eenvoudige elektronische oscillatoren die in serie zijn geschakeld als een ring. Toen werd opgemerkt dat individuele oscillatoren niet alleen probeerden te synchroniseren met hun naaste buren op de ring, maar ook met wat verder weg gelegen terwijl ze tegelijkertijd minder gedesynchroniseerd blijven met anderen die zich op een tussenliggende afstand bevinden.

"We hebben dit effect met echte fascinatie waargenomen, omdat het zich voordeed in een veel kleiner apparaat, maar vooral, radicaal eenvoudiger dan de hersenen. Het fenomeen werd uitvoerig beschreven. Helaas, we waren niet in staat om de aard ervan volledig te begrijpen. We hebben alleen een bevredigende uitleg gegeven in onze laatste publicatie, " zegt dr. Minati.

Onderzoekers van de IFJ PAN bestudeerden ringen van oscillatoren experimenteel en met behulp van computersimulaties. De constatering dat informatie zich in de ringen moet voortplanten met niet één maar drie frequenties bleek een doorbraak (in dit opzicht het fenomeen lijkt op de amplitudemodulatie die in de radiotechnologie wordt gebruikt). Elke oscillator genereerde niet alleen zijn eigen signaal van chaotische aard, maar reageerde ook op signalen van nabijgelegen oscillatoren, en bracht ze over naar de andere twee banden. Afhankelijk van hun fase in een bepaalde oscillator, deze signalen werden versterkt of verzwakt op een manier die lijkt op een interferentie-effect. De onderzoekers observeerden dan ook patronen die deden denken aan de diffractiebanden die bekend zijn uit de optica. Fluctuaties van synchronisatie-intensiteit die aanleiding gaven tot "afstand" verschenen tussen oscillatoren waarin constructieve of destructieve interferentie optrad.

Om de aard van de waargenomen synchronisatie beter te begrijpen, de in Krakau gevestigde fysici hebben de oscillatorringen aan aanvullende tests onderworpen. De gevoeligheid van synchronisatie voor ruis met hoge intensiteit die op verschillende locaties van de systemen werd geïntroduceerd, werd getest, en variërende aantallen oscillatoren in de ring werden gesimuleerd samen met de effecten die op de opening verschenen. Analyse van de resultaten maakte het mogelijk om te bepalen dat in de bestudeerde oscillatorringen, synchronisatie op afstand is niet zozeer een globaal kenmerk van het hele systeem, omdat het het resultaat is van de lokale interacties van individuele oscillatoren met hun omgeving. Tegelijkertijd, de onderzoekers onderzochten ook of synchronisatie op afstand kan worden gebruikt om een ​​signaal dat van buitenaf in het systeem wordt gebracht, over te dragen. Het resultaat, echter, negatief was.

"Het begrijpen van de mechanismen die samenhangen met het optreden van complexe onderlinge afhankelijkheden tussen elementen in systemen van diverse aard is een grote uitdaging in niet-lineaire wetenschap. We hebben nog steeds een beperkt begrip van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de meeste soorten synchronisatie op afstand. Een meer volledige kennis van soortgelijke processen zouden een aanzienlijke theoretische en praktische betekenis hebben. Wie weet? Misschien kunnen we beter voorspellen, bijvoorbeeld, collectief gedrag in verschillende sociale netwerken of zelfs financiële markten, " zegt prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Technische Universiteit van Krakau).