Ученые впервые раскрывают точный процесс синхронизации хаотических систем.
Синхронизация, в которой две разные системы колеблются одинаковым образом, лежит в основе многочисленных коллективных явлений, наблюдаемых в природе, и служит примером для возникающих форм поведения, начиная от акустического унисона хора крикета и заканчивая поведением человеческого мозга.
Могут ли хаотические системы также синхронизироваться друг с другом? Как возникают синхронизация и самоорганизация в системах, у которых изначально не было этих свойств? Характеризация и понимание перехода от беспорядка к синхронности имеет фундаментальное значение для понимания возникновения синхронизации и самоорганизации в природе.
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review E , физики из университета Бар-Илан в Израиле вместе с коллегами из Испании, Индии и Италии проанализировали систему Росслера, известную хаотическую систему, которую физики тщательно изучали в течение почти 40 лет. Посмотрев на эту систему с новой точки зрения, они обнаружили новые явления, которые до сих пор игнорировались.
Впервые исследователи смогли измерить мелкозернистый процесс, который ведет от беспорядка к синхронности, обнаружив новый тип синхронизации между хаотическими системами. Это новое явление они называют топологической синхронизацией. Традиционно синхронизация была рассмотрена путем сравнения времени действия двух систем. Вместо этого топологическая синхронизация исследует синхронизацию, сравнивая структуры систем. Таким образом, хаотическая система исследуется на уровне ее структуры, применяя более глобальный подход для определения процесса синхронизации.
«Хаотические системы, хотя и непредсказуемые, все же имеют тонкую глобальную организацию, называемую странным аттрактором», — говорит Нир Лахав, сотрудник физического факультета Университета Бар-Илан, ведущий автор исследования. «Каждая хаотическая система притягивает своего уникального странного аттрактора. Под топологической синхронизацией мы подразумеваем, что два странных аттрактора имеют одинаковую организацию и структуры. В начале процесса синхронизации небольшие области на одном странном аттракторе имеют одинаковую структуру с другим аттрактором, Это означает, что они уже синхронизированы с другим аттрактором. В конце процесса все области одного странного аттрактора будут иметь структуру другого, и будет достигнута полная топологическая синхронизация ».
Открытие Топологической Синхронизации показывает, что, в отличие от того, что ранее предполагалось, хаотические системы постепенно синхронизируются через локальные структуры, которые, как ни удивительно, запускаются в редких областях системы и только затем распространяются на более населенные районы. В этих редких областях активность менее хаотична, чем в других областях, и, как следствие, эти области легче синхронизировать по сравнению с теми, которые являются гораздо более неустойчивыми.
«Чтобы понять, почему это удивительно, подумайте об этом сценарии: две группы друзей встречаются на вечеринке. В каждой группе мы можем найти экстравертов, которые легко общаются с незнакомцами, и интровертов, которым труднее соединиться с новым группа «, объясняет Лахав. «Мы предполагаем, что первые связи будут происходить между экстравертами, и только позже интроверты будут создавать связи. Было бы очень удивительно видеть, как это происходит наоборот. Но это именно то, что мы нашли в наших результатах. Мы предполагали, что плотные области системы, где сосредоточена большая часть активности, будут сначала синхронизироваться друг с другом (как экстраверты), но в действительности мы обнаружили, что области с низкой плотностью были первыми для синхронизации (интроверты) «.
Эта концептуальная новизна относится не только к нашему фундаментальному пониманию синхронизации, но также имеет непосредственное практическое значение для границ предсказуемости хаотических систем. Действительно, благодаря этой недавно определенной локальной синхронизации исследователи показывают, что состояние одной системы может быть выведено из измерений другой, даже в отсутствие глобальной синхронности. Мы можем предсказать, где синхронизированные области появятся в недельном соединении, задолго до полной синхронизации .
В настоящее время исследователи применяют свои результаты, чтобы попытаться раскрыть, как самоорганизация может возникнуть в других сложных системах в природе, таких как человеческий мозг.
