Các nhà khoa học khám phá các mô hình đồng bộ hóa mới lạ
Trong một thế giới dường như chứa đầy sự hỗn loạn, các nhà vật lý đã phát hiện ra các hình thức đồng bộ hóa mới và đang học cách dự đoán và kiểm soát chúng.
Khi tiếng vỗ tay không liên tục của một đám đông đột nhiên trở thành nhịp đập, khi mọi người bắt đầu vỗ tay đồng thanh, ai quyết định? Không phải bạn; không phải ai Dế hát đồng bộ; metronomes đặt cạnh nhau lắc lư vào bước chân; Một vài con đom đóm nhấp nháy cùng nhau trong bóng tối. Trên khắp Hoa Kỳ, lưới điện hoạt động ở mức 60 hertz, vô số các nhánh của nó đồng bộ hóa hiện tại theo cách riêng của họ. Thật vậy, chúng ta sống vì đồng bộ hóa. Các tế bào thần kinh trong não của chúng ta bắn ra các mô hình đồng bộ để vận hành cơ thể và tâm trí của chúng ta, và các tế bào tạo nhịp trong tim chúng ta đồng bộ hóa để tạo ra nhịp đập.
Đối tượng với nhịp điệu tự nhiên đồng bộ hóa. Tuy nhiên, hiện tượng này hoàn toàn không có giấy tờ cho đến năm 1665, khi nhà vật lý và nhà phát minh người Hà Lan Christiaan Huygens trải qua vài ngày ốm trên giường. Một cặp đồng hồ quả lắc mới - một loại thiết bị chấm công mà Huygens đã phát minh ra - treo cạnh nhau trên tường. Huygens nhận thấy rằng các con lắc xoay chính xác đồng loạt, luôn chồm về phía nhau rồi bỏ đi. Có lẽ áp lực từ không khí đã đồng bộ hóa sự thay đổi của họ? Ông đã tiến hành nhiều thí nghiệm. Chẳng hạn, việc đặt một cái bàn thẳng đứng giữa các đồng hồ không ảnh hưởng đến sự đồng bộ hóa của chúng. Nhưng khi anh ta chỉnh lại các đồng hồ cách xa nhau hoặc đúng góc với nhau, chúng sẽ sớm lệch pha. Cuối cùng, Huygens đã suy luận rằng những chiếc đồng hồ đeo tay cảm thông, hung như anh gọi nó, kết quả từ những cú đá mà xích đu của họ trao cho nhau qua tường.
Khi con lắc trái lắc sang trái, nó đá vào tường và con lắc khác sang phải, và ngược lại. Các đồng hồ đá nhau xung quanh cho đến khi họ và bức tường đạt được trạng thái ổn định, thoải mái nhất. Đối với các con lắc, hành vi ổn định nhất là di chuyển theo hướng ngược lại, sao cho mỗi lần đẩy người khác theo hướng mà nó đã đi, cách bạn đẩy một đứa trẻ lên xích đu. Và điều này cũng dễ nhất cho bức tường; nó không còn di chuyển nữa, bởi vì các con lắc đang cho nó những cú đá bằng nhau và ngược lại. Khi ở trạng thái đồng bộ, tự củng cố này, không có lý do gì để hệ thống đi chệch hướng. Nhiều hệ thống đồng bộ hóa vì lý do tương tự, với các cú đá được thay thế bằng các hình thức ảnh hưởng khác.
Christiaan Huygens Sắp phác thảo một thí nghiệm với một cặp đồng hồ quả lắc (trên cùng) và cố gắng hiểu lý do tại sao chúng đồng bộ hóa (phía dưới). Một lần nữa, B đã đi qua vị trí BD khi A ở AG, theo đó hệ thống treo A được kéo sang phải, và do đó rung động của con lắc A đang được gia tốc, anh viết. Một lần nữa, B lại xuất hiện ở BK khi A được đưa trở lại vị trí AF, theo đó hệ thống treo của B được kéo sang trái, và do đó rung động của con lắc B chậm lại. Và vì vậy, khi rung động của con lắc B đang chậm dần và A đang được tăng tốc, điều cần thiết là họ phải di chuyển cùng nhau trong nhịp đập ngược nhau.
Một người Hà Lan khác, Engelbert Kaempfer, đã tới Thái Lan vào năm 1690 và quan sát những con đom đóm địa phương đồng thời nhấp nháy với sự đều đặn và chính xác nhất. Các kỹ sư của Radio Radio trong những năm 1920 đã phát hiện ra rằng việc kết nối các máy phát điện với tần số khác nhau buộc chúng phải rung với tần số chung - nguyên tắc đằng sau liên lạc vô tuyến hệ thống.
Cho đến năm 1967, tiếng kêu của dế đã truyền cảm hứng cho nhà sinh học lý thuyết người Mỹ Art Winfree đề xuất một mô hình toán học về đồng bộ hóa. Phương trình Winfree sườn quá khó để giải, nhưng vào năm 1974, một nhà vật lý người Nhật tên là Yoshiki Kuramoto đã thấy cách đơn giản hóa toán học. Mô hình Kuramoto Cảnh đã mô tả một quần thể các bộ dao động (những thứ có nhịp điệu, như nhịp điệu và nhịp tim) và cho thấy lý do tại sao các bộ dao động kết hợp tự động đồng bộ hóa.
Kuramoto, khi đó 34 tuổi, có ít kinh nghiệm trước đây về động lực học phi tuyến, nghiên cứu về các vòng phản hồi làm rối các biến số trên thế giới. Khi ông đưa ra mô hình của mình cho các chuyên gia trong ngành học, họ đã không nắm bắt được ý nghĩa của nó. Nản lòng, anh gạt công việc sang một bên.
Năm năm sau, Winfree bắt gặp một bài nói chuyện mà Kuramoto đã nói về mô hình của mình và nhận ra rằng nó mang đến một sự hiểu biết mới mang tính cách mạng về một hiện tượng tinh tế tràn ngập khắp thế giới. Toán học Kuramoto đã chứng minh tính linh hoạt và có thể mở rộng đủ để giải thích cho sự đồng bộ hóa trong các cụm tế bào thần kinh, đom đóm, tế bào tạo nhịp, sao đang bay, phản ứng hóa học, dòng điện xoay chiều và vô số quần thể dao động thế giới thực khác.
Tôi đã không tưởng tượng ra tất cả rằng mô hình của tôi sẽ có khả năng ứng dụng rộng rãi, ông Kuramoto nói, hiện 78 tuổi, qua email.
Nhưng, phổ biến như mô hình Kuramoto, đã trở thành bất kỳ nhà vật lý ảo tưởng nào về sự đồng bộ hóa đã tan vỡ vào năm 2001. Một lần nữa, Kuramoto là trung tâm của hành động.
Nét khác nhau
Trong mô hình ban đầu của Kuramoto, một bộ tạo dao động có thể được hình dung như một mũi tên quay trong một vòng tròn ở một số tần số tự nhiên. (Nếu nó Vẹt một con đom đóm, nó có thể nhấp nháy mỗi khi mũi tên hướng lên.) Khi một cặp mũi tên được ghép nối, cường độ ảnh hưởng lẫn nhau của chúng phụ thuộc vào sin của góc giữa các hướng chỉ của chúng. Góc này càng lớn, sin càng lớn và do đó ảnh hưởng lẫn nhau của họ càng mạnh. Chỉ khi các mũi tên chỉ theo hướng song song và xoay cùng nhau, chúng mới ngừng kéo nhau. Do đó, các mũi tên sẽ trôi cho đến khi họ tìm thấy trạng thái đồng bộ này. Ngay cả các bộ dao động có tần số tự nhiên khác nhau, khi được ghép nối, đạt đến một sự thỏa hiệp và dao động song song.
Nhưng bức tranh cơ bản đó chỉ giải thích sự khởi đầu của đồng bộ hóa toàn cầu, nơi tất cả các nhóm dao động đều làm điều tương tự. Ngoài việc là loại đồng bộ hóa đơn giản nhất, có rất nhiều ví dụ về đồng bộ hóa toàn cầu; Adilson Motter, một nhà vật lý tại Đại học Tây Bắc ở Chicago, và một nhà khoa học đồng bộ hàng đầu cho biết, đó là lý do tại sao mọi người chú ý đến điều đó. Tuy nhiên, vào năm 2001, Kuramoto đã phát hiện ra một điều rất khác biệt. Và đó, nơi mà câu chuyện của các quốc gia khác nhau bắt đầu.
Yoshiki Kuramoto, giáo sư vật lý tại Đại học Kyoto, đã phát triển mô hình đồng bộ Kuramoto nổi tiếng vào những năm 1970 và đồng phát hiện ra trạng thái chimera vào năm 2001, một lần nữa cách mạng hóa sự hiểu biết về đồng bộ hóa.
Dorjsuren Battogtokh, người Kurd Nhật Mông Cổ, người đầu tiên nhận thấy một loại hành vi đồng bộ mới trong một quần thể mô phỏng dao động ghép. Các bộ dao động giống hệt nhau, tất cả được ghép nối giống hệt với các nước láng giềng, bằng cách nào đó đã tách thành hai phe: Một số dao động đồng bộ, trong khi phần còn lại trôi dạt không đều.
Kuramoto đã trình bày khám phá của mình và Battogtokh, tại một cuộc họp năm 2001 ở Bristol, nhưng kết quả đã không đăng ký trong cộng đồng cho đến khi Steven Strogatz, một nhà toán học tại Đại học Cornell, tình cờ gặp nó trong hai năm sau đó. Khi tôi hiểu được những gì tôi thấy trong đồ họa, tôi đã thực sự tin vào điều đó, ông Strogatz nói.
Thật là kỳ lạ, anh ấy giải thích, anh ấy nói rằng vũ trụ trông giống nhau từ mọi nơi trong hệ thống. Tuy nhiên, các bộ dao động phản ứng khác nhau với các điều kiện giống hệt nhau, một số nhóm lại với nhau trong khi phần còn lại đi theo cách riêng của họ, như thể không kết hợp với bất cứ điều gì cả. Sự đối xứng của hệ thống đã bị phá vỡ, theo ông St Statzatz, theo cách mà chưa từng thấy trước đây.
Strogatz và sinh viên tốt nghiệp Daniel Abrams, hiện đang nghiên cứu đồng bộ hóa với tư cách là giáo sư tại Tây Bắc, đã tái tạo sự pha trộn đặc biệt giữa đồng bộ và không đồng bộ trong các mô phỏng máy tính của riêng họ và khám phá các điều kiện phát sinh. Strogatz gọi nó là trạng thái chim tinh tinh của Hồi giáo sau khi một con quái vật thở lửa thần thoại được tạo thành từ những phần phi thường. (Nhiều tháng trước, Strogatz đã viết một cuốn sách nổi tiếng có tên Sync, về tính phổ biến của đồng bộ hóa toàn cầu.)
Hai nhóm độc lập đã nhận ra trạng thái chimera này trong phòng thí nghiệm vào năm 2012, làm việc trong các hệ thống vật lý khác nhau và nhiều thí nghiệm đã thấy nó kể từ đó. Nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ chimera phát sinh tự nhiên. Bộ não dường như là một loại chimera phức tạp, trong đó nó đồng thời duy trì cả việc bắn các nơ-ron đồng bộ và không đồng bộ. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy sự tương đồng về chất giữa sự mất ổn định của các trạng thái chimera và động kinh. Đồng tác giả Iryna Omelchenko của Đại học Berlin cho biết, các nghiên cứu chi tiết hơn có thể mở ra các phương pháp trị liệu mới để thúc đẩy dự đoán và chấm dứt cơn động kinh.
Nhưng trạng thái chimera vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Kuramoto đã tìm ra toán học xác minh rằng nhà nước là tự đồng nhất, và do đó có thể, nhưng điều đó không giải thích tại sao nó phát sinh. Strogatz và Abrams tiếp tục phát triển toán học, nhưng các nhà nghiên cứu khác muốn có một chiếc quần dài hơn, giải thích về mặt vật lý, có thể nói, thêm vào đó, tôi nghĩ thật công bằng khi nói rằng chúng ta thực sự không biết đứng đầu về vấn đề tại sao tình trạng chimera xảy ra
Rung động tốt
Việc phát hiện ra các máy ảnh đã mở ra một kỷ nguyên mới trong khoa học đồng bộ, cho thấy vô số hình thức kỳ lạ mà đồng bộ hóa có thể thực hiện được. Bây giờ, các nhà lý thuyết đang làm việc để xác định các quy tắc khi nào và tại sao các mô hình khác nhau xảy ra. Các nhà nghiên cứu này có hy vọng táo bạo về việc học cách dự đoán và kiểm soát đồng bộ hóa trong nhiều bối cảnh trong thế giới thực.
Motter và nhóm của ông đang tìm các quy tắc về cách ổn định đồng bộ hóa lưới điện và tích hợp ổn định hơn lưới điện Hoa Kỳ với các nguồn năng lượng không liên tục như năng lượng mặt trời và gió. Các nhà nghiên cứu khác đang tìm cách để hệ thống khỏa thân giữa các trạng thái đồng bộ khác nhau, có thể hữu ích để điều chỉnh nhịp tim không đều. Các hình thức đồng bộ tiểu thuyết có thể có các ứng dụng trong mã hóa. Các nhà khoa học suy đoán rằng chức năng não và thậm chí ý thức có thể được hiểu là sự cân bằng phức tạp và tinh tế của sự đồng bộ và không đồng bộ.
Raissa Dạo có rất nhiều sự sinh động mới để suy nghĩ về sự đồng bộ, ông Raissa DiênSouza, giáo sư khoa học máy tính và kỹ thuật cơ khí tại Đại học California, Davis cho biết. Bạn có thể sử dụng các công cụ để xem xét các mẫu kỳ lạ, phức tạp này ngoài việc đồng bộ hóa đơn giản, đầy đủ hoặc các vùng đồng bộ hóa và các vùng ngẫu nhiên.
Nhiều kiểu đồng bộ hóa mới phát sinh trong các mạng dao động, có các bộ kết nối cụ thể, thay vì tất cả được ghép với nhau, như được giả định trong mô hình Kuramoto ban đầu. Mạng là mô hình tốt hơn của nhiều hệ thống trong thế giới thực, như bộ não và internet.
Trong một bài báo chuyên đề năm 2014, Louis Pecora thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Hoa Kỳ và các đồng tác giả đã cùng nhau chia sẻ về cách hiểu đồng bộ hóa trong các mạng. Dựa trên công việc trước đó, họ đã chỉ ra rằng các mạng chia thành các cụm dao động của bộ dao động đồng bộ hóa. Một trường hợp đặc biệt của đồng bộ hóa cụm là đồng bộ hóa từ xa, trong đó bộ tạo dao động không được liên kết trực tiếp dù sao cũng đồng bộ hóa, tạo thành một cụm, trong khi các bộ dao động ở giữa chúng hoạt động khác nhau, điển hình là đồng bộ hóa với cụm khác. Đồng bộ hóa từ xa với những phát hiện về các mạng trong thế giới thực, chẳng hạn như các mạng xã hội. Sau đó, bạn không phải là người bạn có ảnh hưởng đến hành vi của bạn nhiều như người bạn của bạn, bạn của bạn
Vào năm 2017, nhóm Motter Cảnh đã phát hiện ra rằng các bộ dao động có thể đồng bộ hóa từ xa ngay cả khi các bộ dao động giữa chúng bị trôi không đều. Kịch bản này tạo ra sự đồng bộ hóa từ xa với các trạng thái chimera, ông nói. Ông và các đồng nghiệp đưa ra giả thuyết rằng trạng thái này có thể liên quan đến xử lý thông tin thần kinh, vì việc bắn đồng bộ đôi khi kéo dài khoảng cách lớn trong não. Tiểu bang cũng có thể đề xuất các hình thức giao tiếp và mã hóa an toàn mới.
Sau đó, có sự đồng bộ hóa hỗn loạn, trong đó các bộ dao động không thể đoán trước được dù sao cũng đồng bộ hóa và phát triển cùng nhau.
Khi các nhà lý thuyết khám phá toán học làm nền tảng cho các trạng thái kỳ lạ này, các nhà thực nghiệm đã nghĩ ra những nền tảng mới và tốt hơn để nghiên cứu chúng. Tất cả mọi người đều thích hệ thống của riêng mình, Matthew cho biết Matthew Matheny thuộc Viện Công nghệ California. Trong một bài báo trên Science hồi tháng trước, Matheny, D hèSouza, Michael Roukes và 12 đồng tác giả đã báo cáo một mối quan hệ của các trạng thái đồng bộ mới trong một mạng lưới các bộ dao động cơ điện tử nano, hay hoặc NEM - về cơ bản là trống điện. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một vòng gồm 8 NEM, trong đó mỗi rung động của một người gửi các xung điện đến các nước láng giềng gần nhất trong vòng. Bất chấp sự đơn giản của hệ thống tám dao động này, chúng tôi bắt đầu thấy rất nhiều điều điên rồ, Tiết Matheny nói.
Các nhà nghiên cứu đã ghi nhận 16 trạng thái đồng bộ rằng hệ thống rơi vào các cài đặt ban đầu khác nhau, mặc dù nhiều trạng thái hiếm hơn có thể xảy ra. Trong nhiều trường hợp, các NEM tách rời khỏi các nước láng giềng gần nhất và được đồng bộ hóa từ xa, rung theo pha với các đầu trống nhỏ ở nơi khác trong vòng. Ví dụ, trong một mẫu, hai lân cận gần nhất dao động với nhau, nhưng cặp tiếp theo chấp nhận một pha khác nhau; cặp thứ ba được đồng bộ hóa với cặp thứ nhất và cặp thứ tư với cặp thứ hai. Họ cũng tìm thấy các trạng thái giống chim (mặc dù rất khó để chứng minh rằng một hệ thống nhỏ như vậy là một con chimera thực sự).
Nhiều mẫu đồng bộ hóa mới lạ đã được nhìn thấy trong các thí nghiệm với một vòng gồm tám bộ dao động được kết nối. Trong trạng thái splay của người khác ở bên trái, mỗi pha dao động khác nhau bởi một lượng đặt từ các hàng xóm của nó. Trong trạng thái sóng di chuyển trên đường cao tốc ở trung tâm, chỉ có các mũi tên đối diện nhau trên vòng tròn cùng pha. Trạng thái bên phải là một con chimera điều khiển tiếng ồn Tiếng: Hai bộ mũi tên luôn được đồng bộ hóa trên vòng, trong khi mũi tên ở giữa nhảy vào và không đồng bộ với hàng xóm của chúng, dường như là ngẫu nhiên.
NEM phức tạp hơn các bộ dao động Kuramoto đơn giản ở chỗ tần số mà chúng dao động ảnh hưởng đến biên độ của chúng (đại khái là độ to của chúng). Điều này vốn có tính tham khảo, tự giới thiệu của mỗi NEM mang lại mối quan hệ toán học phức tạp giữa chúng. Ví dụ, pha của một có thể ảnh hưởng đến biên độ của hàng xóm của nó, ảnh hưởng đến pha của hàng xóm gần nhất của nó. Strogatz cho biết, chiếc nhẫn của NEM đóng vai trò là proxy cho những thứ khác ngoài tự nhiên. Khi bạn bao gồm một biến thứ hai, như các biến thể biên độ, thì điều đó sẽ mở ra một sở thú hiện tượng mới.
Roukes, một giáo sư vật lý, vật lý ứng dụng và kỹ thuật sinh học tại Caltech, quan tâm nhất đến những gì mà vòng NEM gợi ý về các mạng lưới lớn như não. Ông nói điều này rất, rất nguyên thủy so với sự phức tạp của bộ não, ông nói. Nếu chúng ta đã thấy sự bùng nổ này trong sự phức tạp, thì có vẻ khả thi đối với tôi rằng một mạng lưới 200 tỷ nút và 2.000 nghìn tỷ [kết nối] sẽ có đủ độ phức tạp để duy trì ý thức.
Đối xứng bị hỏng
Trong nhiệm vụ tìm hiểu và kiểm soát cách mọi thứ đồng bộ hóa, các nhà khoa học đang tìm kiếm các quy tắc toán học ra lệnh khi các mẫu đồng bộ hóa khác nhau xảy ra. Nỗ lực nghiên cứu lớn đó vẫn còn dang dở, nhưng nó đã rõ ràng rằng đồng bộ hóa là biểu hiện trực tiếp của tính đối xứng - và cách nó phá vỡ.
Liên kết giữa đồng bộ hóa và đối xứng lần đầu tiên được củng cố bởi Pecora và các đồng tác giả trong bài báo năm 2014 về đồng bộ hóa cụm. Các nhà khoa học đã ánh xạ các cụm đồng bộ hóa khác nhau có thể hình thành trong một mạng các bộ dao động theo các đối xứng của mạng đó. Trong bối cảnh này, các đối xứng đề cập đến cách các bộ dao động của mạng có thể được hoán đổi mà không thay đổi mạng, giống như hình vuông có thể xoay 90 độ hoặc phản xạ theo chiều ngang, chiều dọc hoặc đường chéo mà không thay đổi bề ngoài.
DỉSouza, Matheny và các đồng nghiệp của họ đã áp dụng cùng một chủ nghĩa hình thức mạnh mẽ trong các nghiên cứu gần đây của họ với NEMs. Nói một cách đơn giản, vòng tám NEM có các đối xứng của một hình bát giác. Nhưng khi tám chiếc trống nhỏ rung lên và hệ thống phát triển, một số trong những đối xứng này tự vỡ; các NEM chia thành các cụm đồng bộ tương ứng với các nhóm con của nhóm đối xứng, tên gọi là D8, chỉ định tất cả các cách bạn có thể xoay và phản xạ một hình bát giác không thay đổi. Ví dụ, khi các NEM đồng bộ hóa với các hàng xóm gần nhất tiếp theo của họ, xen kẽ mô hình của họ xung quanh vòng, D8 giảm xuống nhóm D4. Điều này có nghĩa là mạng NEM có thể được xoay theo hai vị trí hoặc phản xạ qua hai trục mà không thay đổi mẫu.
Ngay cả các máy ảnh có thể được mô tả bằng ngôn ngữ của các cụm và phân nhóm đối xứng. Phần được đồng bộ hóa là một cụm được đồng bộ hóa lớn và phần không đồng bộ là một nhóm các cụm duy nhất, ông Joe Hart, một nhà thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân cộng tác với Pecora và Motter cho biết.
Đồng bộ hóa dường như nảy sinh từ sự đối xứng, và các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra rằng sự bất đối xứng giúp ổn định trạng thái đồng bộ. Đây là một chút nghịch lý. Vào tháng 2, Motter, Hart, Raj Roy của Đại học Maryland và Yuanzhao Zhang của Tây Bắc đã báo cáo trong Thư đánh giá vật lý giới thiệu sự bất cân xứng vào một cụm thực sự củng cố tính đồng bộ của nó. Ví dụ, làm cho khớp nối giữa hai bộ dao động trong cụm một chiều thay vì không chỉ làm nhiễu đồng bộ cụm, nó thực sự làm cho trạng thái của nó mạnh hơn đối với nhiễu và nhiễu từ các nơi khác trong mạng.
Những phát hiện về sự bất đối xứng giữ trong các thí nghiệm với lưới điện nhân tạo. Tại cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ tại Boston vào tháng trước, Motter đã trình bày các kết quả chưa được công bố cho thấy rằng các máy phát điện có thể dễ dàng dao động hơn với cùng tần số, như mong muốn, nếu các thông số của chúng khác nhau, phù hợp như ông đưa ra. Ông cho rằng thiên nhiên có xu hướng không đối xứng sẽ giúp dễ dàng đồng bộ hóa các nguồn cung cấp năng lượng đa dạng dễ dàng hơn.
Một loạt các nhiệm vụ có thể đạt được bằng sự kết hợp phù hợp giữa đồng bộ và không đồng bộ, theo Kur Kuramoto quan sát trong một email. Không nghi ngờ gì nữa, các quá trình tiến hóa sinh học phải phát triển cơ chế rất hữu ích này. Tôi hy vọng các hệ thống nhân tạo cũng sẽ trở nên linh hoạt hơn về mặt chức năng bằng cách giới thiệu các cơ chế tương tự.
Bài viết đã được chỉnh sửa nội dung bởi tritanngo99: 05-06-2019 - 06:04
