Мерцающие светлячки пульсируют в математическом ритме

К Рафаэль Сарфати / Разговор |

Эта статья изначально была размещена на Разговор.

Представьте себе старый лес в угасающем свете летнего вечера. Когда последние солнечные лучи исчезают за горизонтом, ваше внимание привлекает крошечная вспышка.

Ты оборачиваешься, задерживаешь дыхание; он снова мигает, паря в 2 футах над опавшими листьями. Через сумрачную поляну мимолетный ответ. Потом еще один, и еще, и через несколько минут по тихому лесу разлетелись мерцающие светлячки.

Сначала они кажутся неорганизованными. Но вскоре появляются несколько слаженных пар, маленькие тандемы, вспыхивающие в одном темпе два раза в секунду. Пары сливаются в триады, пятерки, и вдруг весь лес пульсирует единым сверкающим ритмом. Рой достиг синхронности.

Собрания Firefly — это массовые мероприятия для быстрых свиданий. Вспышки передают диалог ухаживания между рекламными самцами и отборными самками. В результате соперничества и сотрудничества между тысячами взаимодействующих светлячков возникают коллективные световые узоры, мерцающие аналоги 

ропот птичьих стай плывут вместе. Загадочный феномен некоторых светлячков Синхронизация флэш-памяти ставила ученых в тупик более века.

Синхрония вездесуща во Вселенной, от электронных облаков до биологических циклов и планетарных орбит. Но синхронность — сложная концепция со многими разветвлениями. Он включает в себя различные формы и формы, обычно открытые математикой, а затем исследованные в природе.

Возьмите рой светлячков. Подождите еще немного, и среди светящегося хора появится еще кое-что: какие-то нестройные мигалки отделяются и продолжаются в такт. Они моргают в том же темпе, но сохраняют решительную задержку со своими сверстниками-конформистами. Может ли это быть свидетельством явления, предсказанного математическими уравнениями, но никогда ранее не встречавшегося в природе?

Синхронность с изюминкой

Двадцать лет назад, углубляясь в уравнения, лежащие в основе синхронизма, физики Доржсурен Баттогтох и Йошики Курамото заметил что-то необычное. При определенных обстоятельствах их математические решения описать амбивалентный ансамбль, демонстрируя широко распространенную синхронность с вкраплениями некоторых неустойчивых, свободно плавающих составляющих.

Их модель основывалась на наборе абстрактных часов, называемых осцилляторами, которые имеют тенденцию выравниваться со своими соседями. Неоднородное состояние было неожиданным, потому что уравнения предполагали, что все осцилляторы совершенно идентичны и так же связаны с другими.

Спонтанное нарушение лежащей в основе симметрии обычно беспокоит физиков. Мы лелеем идею о том, что некоторый порядок в структуре системы должен трансформироваться в аналогичный порядок в ее крупномасштабной динамике. Если осцилляторы неразличимы, они должны либо все синхронизироваться, либо все оставаться хаотичными, а не демонстрировать дифференцированное поведение.

Это возбудило любопытство многих, в том числе математиков. Дэниел Абрамс и Стивен Строгац, ВОЗ явление назвали «химерой». В греческой мифологии Химера представляла собой гибридного монстра, состоящего из частей несочетаемых животных — так что это подходящее название для мешанины несовпадающих кластеров осцилляторов.

Поначалу химеры редко встречались в математических моделях, и для их реализации требовался очень специфический набор параметров. Со временем, узнав, где вести разведку, теоретики стали раскрывать их во множестве вариаций этих моделей, окрестив их «дышащими», «закрученными», «многоголовыми» и прочими жуткими эпитетами. Тем не менее, оставалось загадкой, возможны ли эти теоретические химеры и в физическом мире — или это всего лишь математический миф.

Десять лет спустя несколько оригинальных экспериментов, поставленных в физических лабораториях, привели к появлению неуловимых химер. Они включали тонко настроенные сети взаимодействий между сложными генераторами. Доказывая, что проектирование сосуществования когерентности и некогерентности было деликатным, но возможным, рискнули, они оставили без ответа более глубокий вопрос: могут ли математические химеры существовать в природном мире? мир?

Оказалось, что для того, чтобы пролить на них свет, потребуется крошечное люминесцентное насекомое.

В качестве постдока в Лаборатория Пелег в Университете Колорадо, я работать над расшифровкой внутренняя работа роев светлячков. Наш подход основан на принципах малоизвестной ниши в современной физике: коллективное поведение животных. Проще говоря, основная цель состоит в том, чтобы выявить и охарактеризовать спонтанные, неконтролируемые крупномасштабные закономерности в динамике групп животных. Затем мы исследуем, как эти самоорганизующиеся паттерны появляться от индивидуальных взаимодействий.

По совету знающих специалистов по светлячкам мы с коллегами проехали через всю страну, чтобы Национальный парк Конгари в Южной Каролине, чтобы преследовать Фоторис лобный, один из немногих североамериканских видов известна синхронизация. Мы установили наши камеры на небольшой лесной полянке среди сосен. Вскоре после того, как в сумерках появились первые проблески, мы наблюдали очень ритмичную, точную синхронность, по-видимому, столь же чистую, как и предсказывали уравнения.

Это был очаровательный опыт, но тот, который заставил меня задуматься. Я беспокоился, что это отображение было слишком упорядоченным, чтобы мы могли сделать из него какие-либо выводы. Физики узнают о вещах, наблюдая за их естественными колебаниями. Здесь, казалось, было мало изменчивости для исследования.

Синхронность проявляется в данных в виде резких всплесков на графике количества вспышек во времени. Эти пики указывают на то, что большинство вспышек происходит в один и тот же момент. Когда это не так, след выглядит неровным, как каракули. В наших сюжетах я сначала не увидел ничего, кроме безупречного гребенчатого узора безупречной синхронности.

Оказалось, что химера пряталась у всех на виду, но мне пришлось пройти дальше по данным, чтобы столкнуться с ней. Там, между пиками светлого хора, более короткие пики указывали на более мелкие фракции, синхронизировавшиеся между собой, но не с основной группой. Я назвал их «персонажами». Вместе с синхронным хором эти несочетаемые персонажи составляют химеру.

Как и в древнегреческом театре, хор задает фон, а персонажи создают действие. Две группы переплелись, блуждая по одной и той же сцене, как мы показали из трехмерной реконструкции роя. Несмотря на раздвоение их ритма, их пространственная динамика кажется неразличимой. Персонажи не собираются вместе и не следуют друг за другом.

Эта неожиданно смешанная самоорганизация вызывает еще больше вопросов. Сознательно ли персонажи среди роя решают отделиться, может быть, чтобы сигнализировать о своем освобождении? Или они спонтанно оказываются в ловушке? Могут ли математические идеи пролить свет на социальную динамику светящихся жуков?

В отличие от абстрактных осцилляторов в математических уравнениях, светлячки — существа познавательные. Они включить сложную сенсорную информацию и обрабатывать его через конвейер принятия решений. Они также постоянно находятся в движении, формирование и разрыв визуальных связей со сверстниками. Упрощенные математические модели еще не учитывают эти тонкости.

В тихом лесу синхронные вспышки и их диссонирующие копии, возможно, осветили множество новых химер, за которыми математики и физики должны охотиться.

Последнее сообщение в блоге

Двадцать один совет, как максимально эффективно использовать подписки Apple
August 30, 2023

Количество подписок Apple, на которые вы можете подписаться, резко выросло. Сегодня ежемесячная плата позволит вам доступ к музыке, фильмы, телешоу...

DARPA хочет, чтобы «падающие вверх» роботы, которые могут годами прятаться на морском дне, запускались по требованию
August 31, 2023

«Вверх падающие полезные нагрузки» ВМФ могут прятаться в глубинах океана до тех пор, пока они не понадобятся, а затем запускаться для быстрого соз...

Используйте это лучше: три новые работы для iPad
August 30, 2023

Превратите iPad в аксессуар, который позволяет кадрировать, освещать и хранить фотографии профессионального качества. Мы можем получать доход от п...