Synkronisering, där två olika system oscillerar på ett identiskt sätt, ligger till grund för många kollektiva fenomen som observeras i naturen, tillhandahålla ett exempel för framväxande beteenden som sträcker sig från akustisk unison av cricketkörer till beteendet hos den mänskliga hjärnan.

Kan kaotiska system också synkroniseras med varandra? Hur uppstår synkronisering och självorganisering från system som inte hade dessa egenskaper till att börja med? Att karakterisera och förstå övergången från störning till synkroni är av grundläggande betydelse för att förstå uppkomsten av synkronisering och självorganisering i naturen.

I en ny studie publicerad i Fysisk granskning E , fysiker från Bar-Ilan University i Israel, tillsammans med kollegor från Spanien, Indien och Italien, analyserade Rossler-systemet, ett välkänt kaotiskt system som fysiker har studerat grundligt i nästan 40 år. Ser man på detta system från ett nytt perspektiv, de upptäckte nya fenomen som har förbisetts fram till nu.

För första gången kunde forskarna mäta den finkorniga processen som leder från oordning till synkronisering, upptäcka en ny typ av synkronisering mellan kaotiska system. De kallar detta nya fenomen för topologisk synkronisering. Traditionellt, synkronisering har undersökts genom att jämföra tidsförloppet för aktiviteten för de två systemen. Topologisk synkronisering undersöker istället synkronisering genom att jämföra systemens strukturer. Det kaotiska systemet undersöks därför på nivån av dess struktur, ta ett mer globalt tillvägagångssätt för att bestämma synkroniseringsprocessen.

"Kaotiska system, även om det är oförutsägbart, har fortfarande en subtil global organisation som heter strange attractor, " säger Nir Lahav, vid Bar-Ilan Universitys institution för fysik, studiens huvudförfattare. "Varje kaotiskt system attraherar sin egen unika konstiga attraktion. Med topologisk synkronisering menar vi att två konstiga attraktionselement har samma organisation och struktur. I början av synkroniseringsprocessen, små områden på den ena konstiga atttraktorn har samma struktur som den andra atttraktorn, vilket betyder att de redan är synkroniserade med den andra attraktionen. I slutet av processen, alla områden i den ena konstiga attraktionen kommer att ha samma struktur som den andra och fullständig topologisk synkronisering har uppnåtts."

Upptäckten av topologisk synkronisering avslöjar att, till skillnad från vad som tidigare antagits, kaotiska system synkroniseras gradvis genom lokala strukturer som, förvånande, sparka igång i systemets glesa områden och först därefter spridas till de mer befolkade områdena. I dessa glesa områden är verksamheten mindre kaotisk än i andra områden och, som ett resultat, det är lättare för dessa områden att synkronisera i förhållande till de som är mycket mer oberäkneliga.

"För att förstå varför detta är överraskande, tänk på det här scenariot:två grupper av vänner träffas på en fest. I varje grupp kan vi hitta extroverta, som lätt kommer i kontakt med främlingar, och introverta, som har svårare att få kontakt med en ny grupp, " förklarar Lahav. "Vi skulle anta att de första kopplingarna skulle uppstå mellan de extroverta och först senare skulle de introverta skapa kopplingar. Det skulle vara mycket förvånande att se detta hända tvärtom. Men det är precis vad vi hittade i våra resultat. Vi antog att de täta områdena i systemet, där det mesta av verksamheten är, skulle synka med varandra först (som extroverta), men i verkligheten upptäckte vi att områdena med låg densitet var de första som synkroniserade (de introverta)."

Denna konceptuella nyhet hänför sig inte bara till vår grundläggande förståelse av synkronisering, men har också direkta praktiska implikationer på förutsägbarhetsgränserna för kaotiska system. Verkligen, tack vare denna nydefinierade lokala synkronisering, forskarna visar att det ena systemets tillstånd kan härledas från mätningar av det andra, även i frånvaro av global synkronisering. Vi kan förutsäga var synkroniserade områden kommer att visas i veckokoppling, långt innan fullständig synkronisering.

Forskarna tillämpar för närvarande sina rön för att försöka avslöja hur självorganisering kan uppstå i andra komplexa system i naturen som den mänskliga hjärnan.