Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe dimensie toegevoegd aan het belang van diversiteit.

Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben experimenteel aangetoond dat bepaalde systemen met op elkaar inwerkende entiteiten alleen kunnen synchroniseren als de entiteiten binnen het systeem van elkaar verschillen.

Deze bevinding biedt een nieuwe draai aan het eerdere begrip van hoe collectief gedrag in de natuur - zoals vuurvliegjes die tegelijk flitsen of pacemakercellen die samenwerken om een ​​hartslag te genereren - kan ontstaan, zelfs wanneer de individuele insecten of cellen verschillend zijn.

Northwestern's Adilson Motter, die het onderzoek leidde, legde uit dat identieke entiteiten zich van nature identiek gedragen - totdat ze met elkaar gaan interageren.

"Wanneer identieke entiteiten op elkaar inwerken, ze gedragen zich vaak anders dan elkaar, " zei Moter, die hoogleraar natuurkunde is aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. "Maar we hebben scenario's geïdentificeerd waarin de entiteiten zich weer identiek gedragen als je ze passend van elkaar maakt."

Deze ontdekking kan onderzoekers helpen bij het optimaliseren van door mensen gemaakte systemen, zoals het elektriciteitsnet, waarin veel delen gesynchroniseerd moeten blijven terwijl ze met elkaar in wisselwerking staan. Het zou mogelijk ook kunnen informeren hoe groepen mensen, zoals jury's, kunnen coördineren om tot een consensus te komen.

Het onderzoek wordt maandag gepubliceerd, 20 januari in het journaal Natuurfysica . Motter was co-auteur van het artikel met Takashi Nishikawa en Ferenc Molnar van Northwestern, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan Northwestern die nu aan de Notre Dame University werkt.

Dit werk borduurt voort op Nishikawa's en Motter's 2016 paper, die het fenomeen theoretisch voorspelde.

"Het is interessant dat systemen asymmetrisch moeten zijn om gedragssymmetrie te vertonen, " zei Nishikawa, een onderzoekshoogleraar natuurkunde in Weinberg. "Dit is wiskundig opmerkelijk, laat staan ​​fysiek. Dus, veel collega's dachten dat het experimenteel aantonen van dit effect onmogelijk was."

Motter en zijn medewerkers maakten het schijnbaar onmogelijke mogelijk door drie identieke elektrische generatoren te gebruiken. Elke generator oscilleerde met een frequentie van precies 100 cycli per seconde. Wanneer gescheiden, de identieke generatoren gedroegen zich identiek.

Wanneer verbonden om een ​​driehoek te vormen, hun frequenties liepen uiteen, maar alleen totdat de generatoren goed op elkaar waren afgestemd om verschillende energiedissipaties te hebben. Op dat punt, ze synchroniseerden opnieuw.

"Dit kan worden gevisualiseerd door een klein lampje tussen elk paar generatoren te plaatsen, " legde Molnar uit. "Als de generatoren identiek zijn, de lamp flikkert, wat betekent dat de generatoren niet gesynchroniseerd zijn. Maar wanneer de dissipatie van de generatoren op verschillende niveaus wordt aangepast, de flikkerende stop, wat aangeeft dat de generatorspanningen synchroon oscilleren."

De onderzoekers noemden dit fenomeen "converse symmetriebreking" omdat het het tegenovergestelde vertegenwoordigt van het eerder bekende fenomeen van symmetriebreking, die ten grondslag ligt aan supergeleiding, het Higgs-mechanisme en zelfs het verschijnen van zebrastrepen.

Bij het breken van symmetrie, de dynamische vergelijkingen hebben een symmetrie die niet wordt waargenomen in het gedrag van het systeem, terwijl omgekeerde symmetriebreking betrekking heeft op situaties waarin het gedrag van het systeem alleen een bepaalde symmetrie heeft als die symmetrie wordt vermeden in de dynamische vergelijkingen.

"Het lijkt misschien contra-intuïtief, "Zei Motter. "Maar onze theorie voorspelt dat dit voor veel systemen geldt, niet alleen elektromechanische."

Motter's team is van plan om de implicaties van hun bevindingen op sociale, technologische en biologische systemen. Vooral, het team werkt actief aan het ontwerp van een elektriciteitsnet dat stabieler is en tegelijkertijd een toenemend aandeel van energie uit hernieuwbare bronnen toelaat.