Kunnen we orde vinden in chaos? Natuurkundigen hebben voor het eerst aangetoond dat chaotische systemen kunnen synchroniseren dankzij stabiele structuren die voortkomen uit chaotische activiteit. Deze structuren staan ​​bekend als fractals, vormen met patronen die zich steeds weer herhalen in verschillende schalen van de vorm. Naarmate chaotische systemen worden gekoppeld, zullen de fractale structuren van de verschillende systemen met elkaar gaan assimileren en dezelfde vorm aannemen, waardoor de systemen gaan synchroniseren.

Als de systemen sterk gekoppeld zijn, zullen de fractale structuren van de twee systemen uiteindelijk identiek worden, waardoor volledige synchronisatie tussen de systemen ontstaat. Deze bevindingen helpen ons te begrijpen hoe synchronisatie en zelforganisatie kunnen ontstaan ​​uit systemen die deze eigenschappen aanvankelijk niet hadden, zoals chaotische systemen en biologische systemen.

Een van de grootste uitdagingen in de natuurkunde is het begrijpen van chaotische systemen. Chaos heeft in de natuurkunde een heel specifieke betekenis. Chaotische systemen gedragen zich als willekeurige systemen. Hoewel ze deterministische wetten volgen, zal hun dynamiek nog steeds grillig veranderen. Vanwege het bekende "vlindereffect" is hun toekomstig gedrag onvoorspelbaar (zoals het weersysteem bijvoorbeeld).

Hoewel chaotische systemen willekeurig lijken, zijn ze dat niet, en we kunnen orde in chaos vinden. Uit chaotische activiteit komt een vreemde nieuwe structuur of patroon naar voren die bekend staat als een vreemde attractor. Als er genoeg tijd verstrijkt, zal elk chaotisch systeem zijn unieke vreemde attractor aantrekken en in dit patroon blijven. Het vreemde aan deze patronen is dat ze zijn samengesteld uit fractals, structuren met dezelfde patronen die zich steeds weer herhalen in verschillende schalen van de fractal (zoals bijvoorbeeld een vertakkende structuur van een boom). In feite zijn vreemde attractoren meestal samengesteld uit meerdere fractale structuren. Verschillende staten van de vreemde attractor zullen deel uitmaken van verschillende fractals en hoewel het systeem onregelmatig van staat naar staat zal springen, zullen deze fractals stabiel blijven gedurende de chaotische activiteit van het systeem.

Vanwege het vlindereffect lijken chaotische systemen synchroniciteit te trotseren. Hun extreem grillige gedrag suggereert dat twee gekoppelde chaotische systemen niet kunnen worden gesynchroniseerd en dezelfde activiteit hebben. Toch ontdekten natuurkundigen in de jaren 80 dat chaotische systemen synchroniseren. Maar hoe kan dat?

Een onderzoek door een groep natuurkundigen van de Bar-Ilan University in Israël, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports , suggereert een nieuw antwoord op deze raadselachtige vraag. Volgens het onderzoek, geleid door Dr. Nir Lahav, is de opkomst van de stabiele fractals het belangrijkste element dat chaotische systemen de mogelijkheid geeft om te synchroniseren. Ze toonden aan dat naarmate chaotische systemen worden gekoppeld, de fractale structuren elkaar beginnen te assimileren, waardoor de systemen synchroniseren. Als de systemen sterk gekoppeld zijn, zullen de fractale structuren van de twee systemen uiteindelijk identiek worden, waardoor een volledige synchronisatie tussen de systemen ontstaat. Ze noemden dit fenomeen Topologische Synchronisatie. Bij lage koppeling zullen slechts kleine hoeveelheden van de fractale structuren hetzelfde worden, en naarmate de koppeling tussen de systemen groeit, zullen meer fractale structuren identiek worden.

Tot hun verbazing ontdekten de natuurkundigen dat er een specifieke eigenschap is voor het proces van hoe fractals van het ene systeem dezelfde vorm aannemen als de fractals van het andere. Ze ontdekten dat in totaal verschillende chaotische systemen dit proces dezelfde vorm aanhoudt. Wanneer de twee chaotische systemen zwak gekoppeld zijn, begint het proces meestal met alleen bepaalde fractale structuren die identiek worden. Dit zijn sets van schaarse fractals die zelden zullen voortkomen uit de activiteit van het chaotische systeem.

Synchronisatie begint wanneer deze zeldzame fractals in beide systemen een vergelijkbare vorm aannemen. Om volledige synchronisatie te krijgen moet er een sterke koppeling zijn tussen de systemen. Alleen dan zullen dominante fractals, die meestal voortkomen uit de activiteit van het systeem, ook hetzelfde worden. Ze noemden dit proces het Zipper-effect, omdat het lijkt alsof, wanneer de koppeling tussen chaotische systemen sterker wordt, wanneer de koppeling tussen chaotische systemen sterker wordt, het geleidelijk meer fractals zal "zippen" om hetzelfde te zijn.

Deze bevindingen helpen ons te begrijpen hoe synchronisatie en zelforganisatie kunnen ontstaan ​​uit systemen die deze eigenschappen in het begin niet hadden. Het observeren van dit proces bracht bijvoorbeeld nieuwe inzichten aan het licht over chaotische synchronisatie in zaken die nog nooit eerder waren onderzocht. Gewoonlijk bestuderen natuurkundigen synchronisatie tussen vergelijkbare chaotische systemen met kleine verandering van parameters daartussen. Met behulp van topologische synchronisatie slaagde de groep erin om de studie van synchronisatie uit te breiden tot extreme gevallen van chaotische systemen die een groot verschil hebben tussen hun parameters. Topologische synchronisatie kan ons zelfs helpen licht te werpen op hoe neuronen in de hersenen met elkaar synchroniseren. Er zijn aanwijzingen dat neurale activiteit in de hersenen chaotisch is. Als dat zo is, kan topologische synchronisatie beschrijven hoe synchronisatie voortkomt uit de enorme neurale activiteit van de hersenen met behulp van de stabiele fractale structuren. + Verder verkennen

Wetenschappers onthullen voor het eerst het exacte proces waarmee chaotische systemen synchroniseren