物理学家们已经从简单的同步网络中发现了令人惊讶的复杂状态

物理学家们已经从简单的同步网络中发现了令人惊讶的复杂状态

萤火虫、心脏细胞、时钟和电网都能做到这一点——它们能自动同步，同步地发出信号。几个世纪以来，科学家们一直对这种自组织行为感到困惑，提出了构成同步科学的理论和实验。但是，尽管该领域已经取得了进展，但谜团仍然存在——尤其是完全相同元素的网络如何会失去同步。

现在，一项新的研究通过实验展示了一个由相同的同步纳米机器组成的简单网络是如何产生不同步的复杂状态的。实验结果表明，即使是简单的网络也会导致复杂性，而这些知识反过来可能最终导致控制这些网络的新工具。例如，通过更好地理解心脏细胞或电网如何在看似统一的网络中显示复杂性，研究人员或许能够开发出新的工具，将这些网络重新推入节奏。

同步振荡最早出现在17世纪，当时以发现土星卫星泰坦而闻名的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)指出，悬挂在一个共同支座上的两个摆钟最终会同步报时。几个世纪以来，数学家和其他科学家提出了各种各样的方法来解释这个奇怪的现象，在心脏和脑细胞、萤火虫、冷原子云、动物的昼夜节律和许多其他系统中也能看到这种现象。本质上，这些网络由两个或两个以上的振荡器(网络的节点)组成，它们有能力自己滴答，发出重复的信号。节点还必须以某种方式彼此连接(通过网络边缘)，以便它们能够通信并发送关于其各种状态的消息。

但自2000年代初以来，人们也观察到，这些网络，即使由相同的振荡器组成，也会自发地失去同步，演变成复杂的模式。为了更好地理解发生了什么，Roukes和他的同事开始开发振荡纳米力学装置的网络。他们开始只是把两个连接起来，现在，在新的研究中，他们已经开发出一个由8个连接起来的系统。

令研究小组惊讶的是，8节点系统自发地演化成各种奇异而复杂的状态。这是第一个实验证明，这些不同的、复杂的状态可以发生在同一个简单的系统中。研究人员希望继续建立越来越复杂的网络，并观察超过8个节点连接时的情况。他们说，他们对网络如何随时间演变了解得越多，就越能以有用的方式精确地控制它们。最终他们甚至可以应用他们的学习模型和更好地理解人类的大脑——一个我们所知道的最复杂的网络,不仅与八节点2000亿个神经元彼此连接通常由成千上万的突触边缘。