I vissa fysiska system, även element som är ganska avlägsna från varandra kan synkronisera sina handlingar. Vid en första anblick, fenomenet verkar mystiskt. Med hjälp av ett nätverk av enkla elektroniska oscillatorer sammankopplade som en ring, forskare från Institute of Nuclear Physics vid Polska vetenskapsakademien i Krakow har visat att fjärrsynkronisering kan, åtminstone i vissa fall, förklaras ganska tydligt.

Det mest fascinerande fysiska, kemiska och biologiska processer är förmodligen de där "något" kommer från "ingenting". Till exempel, varför uppträder plötsligt koncentriska ringar i ett till synes homogent vätskeskikt, som i fallet med Belousov-Zhabotinsky-reaktionen? Varför kan en hydra ha många tentakler, alltid ordnat så regelbundet? Varför i ett nätverk av ett dussin eller så enkla elektroniska oscillatorer anslutna i en ring, börjar några avlägsna element plötsligt fungera i samma rytm? Grunden till liknande fenomen i så olika system, det finns universella, fastän det fortfarande är dåligt förstått, mekanismer för att synkronisera aktiviteten hos ett systems komponenter. Nyanserna i en av dessa mekanismer har just förklarats av forskare från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, i nära samarbete med kollegor från University of Palermo och University of Catania i Italien.

Synkronisering som leder till formens födelse (representerar en form av morfogenes) kan ske i system av olika natur, och olika mekanismer kan vara ansvariga för dess uppkomst. En metafor för en representativ situation är att i en ganska enhetlig grupp gäster som inte känner varandra på en stor fest, tydligt synliga grupper av liknande intressen bildas snabbt, inom vilket människor tillbringar större delen av tiden med att prata med varandra. Denna typ av fenomen - resultatet av specifika egenskaper hos vissa element eller som härrör från oavsiktliga händelser - kallas klustersynkronisering. Det finns i många fysiska system, till exempel, mellan neuroner i den mänskliga hjärnan.

"I vår senaste forskning, vi har haft att göra med en instans av en relaterad typ av synkronisering, fjärrsynkronisering. Detta är när element eller grupper av element som inte är direkt kopplade till varandra synkroniserar sin aktivitet, men gör det utan att ta med de andra elementen genom vilka synkroniseringsinformationen sprids. Det liknar en situation där två personer utbyter information med varandra via en kurir, men kuriren kan inte bara läsa innehållet i meddelandena, men är ofta ganska omedveten om förekomsten av ett dolt budskap, "förklarar Dr Ludovico Minati (IFJ PAN), huvudförfattaren till publikationen i den välkända vetenskapliga tidskriften Kaos .

Olika händelser av fjärrsynkronisering har hittills beskrivits, och fjärrsynkronisering anses ske mellan områden i hjärnan som är avlägsna från varandra, mellan meteorologiska fenomen över olika kontinenter, och även mellan element i elektroniska kretsar. År 2015, Dr Minati, sedan vid University of Trento, beskrev en förekomst av denna typ av synkronisering i nätverk byggda av bara ett tiotal enkla elektroniska oscillatorer kopplade i serie som en ring. Det märktes då att enskilda oscillatorer försökte synkronisera inte bara med sina närmaste grannar på ringen, men också med några mer avlägsna, samtidigt som de förblir mindre desynkroniserade med andra som ligger på ett mellanliggande avstånd.

"Vi observerade denna effekt med verklig fascination, eftersom det inträffade i en enhet mycket mindre, men framför allt, radikalt enklare än hjärnan. Fenomenet beskrevs i detalj. Tyvärr, vi kunde inte helt förstå dess natur. Vi har bara presenterat en tillfredsställande förklaring i vår senaste publikation, "säger Dr Minati.

Forskare från IFJ PAN studerade ringar av oscillatorer experimentellt och med användning av datasimuleringar. Observationen att information måste spridas i ringarna med hjälp av inte bara tre utan tre frekvenser visade sig vara ett genombrott (i detta avseende, fenomenet liknar amplitudmodulationen som används inom radioteknik). Varje oscillator genererade inte bara sin egen signal av kaotisk natur, men reagerade också på signaler från närliggande oscillatorer, och överförde dem till de andra två banden. Beroende på deras fas i en given oscillator, dessa signaler förstärktes eller försvagades på ett sätt som liknade en störningseffekt. Forskarna observerade följaktligen mönster som påminner om diffraktionsbanden som är välkända från optik. Fluktuationer av synkroniseringsintensitet som ger upphov till "avlägsenhet" uppträdde mellan oscillatorer där konstruktiv eller destruktiv interferens inträffade.

För att bättre förstå arten av den observerade synkroniseringen, de krakowbaserade fysikerna utsatte oscillatorringarna för ytterligare tester. Synkroniseringens känslighet för högintensitetsbrus som introducerades på olika platser i systemen testades, och varierande antal oscillatorer i ringen simulerades tillsammans med effekterna som uppträdde vid dess öppning. Analys av resultaten gjorde det möjligt att fastställa att i de studerade oscillatorringarna, fjärrsynkronisering är inte så mycket en global egenskap hos hela systemet, eftersom det är resultatet av de lokala interaktionerna mellan enskilda oscillatorer med sin omgivning. På samma gång, forskarna undersökte också om fjärrsynkronisering kunde användas för att överföra en signal som infördes i systemet från utsidan. Resultatet, dock, var negativ.

"Att förstå de mekanismer som är förknippade med förekomsten av komplexa beroendeberoende mellan element i system av olika natur är en stor utmaning inom icke-linjär vetenskap. Vi har fortfarande begränsad förståelse för de mekanismer som är ansvariga för de flesta typer av fjärrsynkronisering. En mer fullständig kunskap om liknande processer skulle ha stor teoretisk och praktisk betydelse. Vem vet? Kanske skulle vi kunna förutse bättre, till exempel, kollektivt beteende i olika sociala nätverk eller till och med finansmarknader, "säger professor Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Krakows tekniska universitet).