Eldflugor, hjärtceller, klockor, och elnät gör allt - de kan spontant synkronisera, sänder ut signaler unisont. I århundraden, forskare har varit förvirrade över detta självorganiserande beteende, kommer med teorier och experiment som utgör vetenskapen om synkronisering. Men trots framsteg på området, mysterier kvarstår fortfarande - särskilt hur nätverk av helt identiska element kan falla ur synk.

Nu, i en ny studie i tidningen 8 mars Vetenskap , Caltech-forskare har experimentellt visat hur ett enkelt nätverk av identiska synkroniserade nanomaskiner kan ge upphov till out-of-sync, komplexa tillstånd. Föreställ dig en rad Rockettdansare:När de alla sparkar samtidigt, de är synkroniserade. En av de komplexa stater som observerats från det enkla nätverket skulle likna Rockette -dansarna som sparkar benen "ur fas" med varandra, där varannan dansare sparkar upp ett ben, medan dansarna emellan just har avslutat en spark.

Resultaten visar experimentellt att även enkla nätverk kan leda till komplexitet, och denna kunskap, i tur och ordning, kan i slutändan leda till nya verktyg för att kontrollera dessa nätverk. Till exempel, genom att bättre förstå hur hjärtceller eller elnät visar komplexitet i till synes enhetliga nätverk, forskare kan kanske utveckla nya verktyg för att driva tillbaka dessa nätverk till rytm.

"Vi vill lära oss hur vi bara kan kittla, eller tryck försiktigt, ett system i rätt riktning för att återställa det till ett synkroniserat tillstånd, "säger Michael L. Roukes, Frank J. Roshek professor i fysik, Tillämpad fysik, och bioingenjör på Caltech, och huvudutredare för det nya Vetenskap studie. "Detta kan kanske ge upphov till en ny form, mindre hårda defibrillatorer, till exempel, för att chocka hjärtat tillbaka till rytmen. "

Synkroniserade svängningar noterades först så långt tillbaka som på 1600-talet, när den nederländska forskaren Christiaan Huygens, känd för att ha upptäckt den saturniska månen Titan, noterade att två pendelklockor hängda från ett gemensamt stöd så småningom skulle komma att ticka unisont. Genom århundradena, matematiker och andra forskare har kommit på olika sätt att förklara det konstiga fenomenet, ses också i hjärt- och hjärnceller, eldflugor, moln av kalla atomer, djurs dygnsrytm, och många andra system.

I huvudsak, dessa nätverk består av två eller flera oscillatorer (nätverkets noder), som har förmågan att bocka på egen hand, skickar ut upprepade signaler. Noderna måste också på något sätt vara anslutna till varandra (via nätverkets kanter), så att de kan kommunicera och skicka ut meddelanden om sina olika tillstånd.

Men det har också observerats sedan början av 2000-talet att dessa nätverk, även om den består av identiska oscillatorer, kan spontant vända ur synk och utvecklas till komplexa mönster. För att bättre förstå vad som händer, Roukes och kollegor började utveckla nätverk av oscillerande nanomekaniska enheter. De började med att bara ansluta två, och nu, i den nya studien, har utvecklat ett sammankopplat system med åtta.

Till lagets förvåning, systemet med åtta noder utvecklades spontant till olika exotiska, komplexa tillstånd. "Detta är den första experimentella demonstrationen som dessa många olika, komplexa tillstånd kan förekomma i samma enkla system, "säger medförfattaren James Crutchfield, en gästassistent i fysik vid Caltech och en professor i fysik vid UC Davis.

För att återgå till Rockettes -metaforen, ett annat exempel på ett av dessa komplexa tillstånd skulle vara om varannan dansare sparkade ett ben, medan dansarna emellan gjorde något helt annat som att vifta med hattarna. Och exemplen blir ännu mer nyanserade än så här; med par dansare som gör samma rörelser mellan par andra danser som gör något annorlunda.

"Det förvirrande inslaget i dessa specifika stater är att rocketterna i vår metafor bara kan se sin närmaste granne, ändå lyckas samordna med grannens granne, " säger huvudförfattaren Matthew Matheny, forskare vid Caltech och medlem av Kavli Nanoscience Institute.

"Vi visste inte vad vi skulle se, "säger Matheny." Men vad dessa experiment säger till oss är att du kan få komplexitet ur ett mycket enkelt system. Detta var något som antyddes tidigare men som inte visades experimentellt förrän nu. "

"Dessa exotiska tillstånd som härrör från ett enkelt system är vad vi kallar emergent, "säger Roukes." Helheten är större än summan av delarna. "

Forskarna hoppas kunna fortsätta bygga allt mer komplexa nätverk och observera vad som händer när mer än åtta noder är anslutna. De säger att ju mer de kan förstå om hur nätverken utvecklas över tiden, ju mer de exakt kan styra dem på användbara sätt. Och så småningom kan de till och med kunna tillämpa det de lär sig för att modellera och bättre förstå den mänskliga hjärnan - ett av de mest komplexa nätverk som vi känner till, med inte bara åtta noder utan 200 miljarder neuroner kopplade till varandra vanligtvis genom tusentals synaptiska kanter.

"Årtionden efter de första teorierna om vetenskapen om synkronisering, och vi börjar äntligen förstå vad som händer, "säger Roukes." Det kommer att ta ett tag innan vi förstår det otroligt komplexa nätverket i vår hjärna. "

Den nya Vetenskap studien har titeln, "Exotiska tillstånd i ett enkelt nätverk av nanoelektromekaniska oscillatorer."