Synchronisatie, waarin twee verschillende systemen op identieke wijze oscilleren, ligt ten grondslag aan tal van collectieve fenomenen die in de natuur worden waargenomen, een voorbeeld geven van opkomend gedrag, variërend van de akoestische unisono van cricketrefreinen tot het gedrag van het menselijk brein.

Kunnen chaotische systemen ook met elkaar synchroniseren? Hoe komen synchronisatie en zelforganisatie voort uit systemen die deze eigenschappen aanvankelijk niet hadden? Het karakteriseren en begrijpen van de overgang van wanorde naar synchronie is van fundamenteel belang om het ontstaan ​​van synchronisatie en zelforganisatie in de natuur te begrijpen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling E , natuurkundigen van de Bar-Ilan Universiteit in Israël, samen met collega's uit Spanje, Indië en Italië, analyseerde het Rossler-systeem, een bekend chaotisch systeem dat natuurkundigen bijna 40 jaar grondig hebben bestudeerd. Als we dit systeem vanuit een nieuw perspectief bekijken, ze ontdekten nieuwe fenomenen die tot nu toe over het hoofd werden gezien.

Voor het eerst konden de onderzoekers het fijne korrelproces meten dat leidt van wanorde naar synchronie, het ontdekken van een nieuw soort synchronisatie tussen chaotische systemen. Ze noemen dit nieuwe fenomeen Topologische Synchronisatie. traditioneel, synchronisatie is onderzocht door het tijdsverloop van de activiteit van de twee systemen te vergelijken. Topologische synchronisatie onderzoekt in plaats daarvan synchronisatie door de structuren van de systemen te vergelijken. Het chaotische systeem wordt daarom bekeken op het niveau van zijn structuur, een meer globale aanpak hanteren om het synchronisatieproces te bepalen.

"Chaotische systemen, hoewel onvoorspelbaar, nog steeds een subtiele wereldwijde organisatie hebben genaamd vreemde aantrekker, " zegt Nir Lahav, van de afdeling Natuurkunde van de Bar-Ilan Universiteit, hoofdauteur van de studie. "Elk chaotisch systeem trekt zijn eigen unieke vreemde aantrekker aan. Met topologische synchronisatie bedoelen we dat twee vreemde aantrekkers dezelfde organisatie en structuren hebben. Aan het begin van het synchronisatieproces, kleine gebieden op de ene vreemde attractor hebben dezelfde structuur als de andere attractor, wat betekent dat ze al zijn gesynchroniseerd met de andere attractor. Aan het einde van het proces, alle gebieden van de ene vreemde attractor zullen de structuur van de andere hebben en volledige topologische synchronisatie is bereikt."

De ontdekking van Topologische Synchronisatie onthult dat, in tegenstelling tot wat eerder werd aangenomen, chaotische systemen synchroniseren geleidelijk via lokale structuren die, verrassend genoeg, beginnen in de schaarse delen van het systeem en verspreiden zich pas daarna naar de meer bevolkte gebieden. In deze schaarse gebieden is de activiteit minder chaotisch dan in andere gebieden en, als resultaat, het is gemakkelijker voor deze gebieden om te synchroniseren in vergelijking met gebieden die veel grilliger zijn.

"Om te begrijpen waarom dit verrassend is, denk aan dit scenario:twee groepen vrienden ontmoeten elkaar op een feestje. In elke groep vinden we extraverte mensen, die gemakkelijk contact maken met vreemden, en introverte mensen, die het moeilijker vinden om contact te maken met een nieuwe groep, " legt Lahav uit. "We gaan ervan uit dat de eerste verbindingen tussen de extraverte mensen zouden ontstaan ​​en pas later zouden de introverte mensen verbindingen maken. Het zou zeer verwonderlijk zijn om dit andersom te zien gebeuren. Maar dit is precies wat we vonden in onze resultaten. We namen aan dat de dichte gebieden van het systeem, waar de meeste activiteit is, zouden eerst met elkaar synchroniseren (zoals de extraverte mensen), maar in werkelijkheid ontdekten we dat de gebieden met een lage dichtheid de eersten waren die synchroniseerden (de introverte mensen)."

Deze conceptuele nieuwigheid heeft niet alleen betrekking op ons fundamentele begrip van synchronisatie, maar heeft ook directe praktische implicaties voor de voorspelbaarheidsgrenzen van chaotische systemen. Inderdaad, dankzij deze nieuw gedefinieerde lokale synchronisatie, de onderzoekers laten zien dat de toestand van het ene systeem kan worden afgeleid uit metingen van het andere, zelfs als er geen globale synchronisatie is. We kunnen voorspellen waar gesynchroniseerde gebieden zullen verschijnen in weekkoppeling, veel voordat volledige synchronisatie.

De onderzoekers passen hun bevindingen momenteel toe om te ontdekken hoe zelforganisatie kan ontstaan ​​in andere complexe systemen in de natuur, zoals het menselijk brein.