2019-01-08 05:50:02
科学家们首次揭示了混沌系统同步的确切过程

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同步,其中两个不同的系统以相同的方式振荡,是自然界中观察到的众多集体现象的基础,提供了从蟋蟀合唱的声学一致到人脑行为的紧急行为的示例。

混沌系统可以互相同步吗?如何从没有这些属性的系统开始实现同步和自组织?表征和理解从无序到同步的过渡对于理解自然界中同步和自组织的出现至关重要。

在Physical Review E发表的一项新研究中,来自以色列Bar-Ilan大学的物理学家以及来自西班牙,印度和意大利的同事分析了Rossler系统,这是一个众所周知的混沌系统,物理学家已经研究了近40年。从新的角度看这个系统,他们发现了迄今为止被忽视的新现象。

研究人员第一次能够测量从无序到同步的细粒过程,发现混沌系统之间的一种新的同步。他们将这种新现象称为拓扑同步。传统上,通过比较两个系统的活动时间进程来检查同步。拓扑同步通过比较系统的结构来检查同步。因此,在其结构层面检查混沌系统,采用更全局的方法来确定同步过程。

“混沌系统虽然不可预测,但仍然有一个叫做奇怪吸引子的微妙的全球组织,”该研究的主要作者,巴伊兰大学物理系的Nir Lahav说。 “每个混沌系统都吸引着它自己独特的奇怪吸引子。通过拓扑同步,我们的意思是两个奇怪的吸引子具有相同的组织和结构。在同步过程开始时,一个奇怪的吸引子上的小区域与另一个吸引子具有相同的结构,意味着它们已经同步到另一个吸引子。在过程结束时,一个奇怪的吸引子的所有区域都将具有另一个的结构,并且已经达到了完整的拓扑同步。

拓扑同步的发现表明,与先前假设的情况相反,混沌系统通过局部结构逐渐同步,令人惊讶的是,在系统的稀疏区域开始,然后传播到人口较多的区域。在这些稀疏区域中,活动比其他区域更不混乱,因此,这些区域相对于那些更不稳定的区域更容易同步。

“为了理解为什么这是令人惊讶的,想想这个场景:两组朋友聚会。在每个小组中我们都能找到外向的人,他们很容易与陌生人联系,而内向的人则发现很难与新人联系小组,“拉哈夫解释说。 “我们会假设第一次连接会发生在外向者之间,之后才能让内向的人建立联系。看到这种情况反过来会非常令人惊讶。但这正是我们在结果中发现的。我们假设大多数活动所在的系统的密集区域将首先彼此同步(如外向者),但实际上我们发现低密度区域是第一个同步的(内向者)。“

这种概念性新颖性不仅涉及我们对同步的基本理解,而且还对混沌系统的可预测性极限有直接的实际意义。实际上,由于这种新定义的局部同步,研究人员表明,即使在没有全局同步的情况下,也可以从另一个系统的测量推断出一个系统的状态。我们可以预测同步区域在周耦合中出现的位置,远在完全同步之前。

研究人员目前正在应用他们的研究结果,试图揭示自然组织如何在自然界中的其他复杂系统中出现,例如人类大脑。

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