Обратное нарушение симметрии

Впервые физики экспериментально продемонстрировали, что некоторые системы с взаимодействующими объектами могут синхронизироваться, только если объекты внутри системы отличаются друг от друга.

Это открытие предлагает новый подход к предыдущему пониманию того, как коллективное поведение, обнаруженное в природе — например, светлячки, мигающие в унисон, или клетки-стимуляторы, работающие вместе, чтобы генерировать сердцебиение, — может возникнуть даже тогда, когда отдельные насекомые или клетки отличаются.

Адильсон Моттер из Northwestern, который руководил исследованием, объяснил, что идентичные сущности естественно ведут себя одинаково — до тех пор, пока они не начнут взаимодействовать.

«Когда идентичные сущности взаимодействуют, они часто ведут себя по-разному», — сказал Моттер, профессор физики в Northwestern University. — Но мы определили сценарии, в которых сущности снова ведут себя одинаково, если вы сделаете их соответственно отличными друг от друга.»

Это открытие может помочь исследователям оптимизировать созданные человеком системы, такие как энергосистема, в которой многие части должны оставаться синхронизированными, взаимодействуя друг с другом.

Оно также может потенциально информировать о том, как группы людей, могут координировать свои действия для достижения консенсуса.

«Интересно, что системы должны быть асимметричными, чтобы проявлять поведенческую симметрию», — говорят исследователи. «Это замечательно математически, не говоря уже о физическом. Поэтому многие коллеги считали, что экспериментально продемонстрировать этот эффект невозможно».

Адильсон Моттер и его сотрудники сделали невозможное возможным, используя три одинаковых электрогенератора. Каждый генератор колебался с частотой ровно 100 циклов в секунду. При разделении идентичные генераторы вели себя одинаково.

Когда они соединены, чтобы сформировать треугольник, их частоты расходились — но только до тех пор, пока генераторы не были должным образом не согласованы, чтобы иметь различные потери энергии. В этот момент они снова синхронизировались.

«Это можно визуализировать, поместив небольшую лампу между каждой парой генераторов», — пояснил Моттер. «Когда генераторы идентичны, лампа мигает, а это означает, что генераторы не синхронизированы. Но когда рассеяние генераторов настраивается на разные уровни, мерцание прекращается, указывая на то, что напряжения генераторов синхронизируются».

Исследователи назвали это явление «обратным нарушением симметрии», поскольку оно представляет собой противоположность ранее известному явлению нарушения симметрии, которое лежит в основе сверхпроводимости, механизма Хиггса и даже появления полос у зебры.

При нарушении симметрии динамические уравнения имеют симметрию, которая не наблюдается в поведении системы, в то время как обратное нарушение симметрии касается ситуаций, в которых поведение системы имеет заданную симметрию, только когда эта симметрия избегается в динамических уравнениях.

«Это может показаться нелогичным, но наша теория предсказывает, что это верно для многих систем, а не только для электромеханических» — говорят ученые.

Они планируют изучить последствия своих выводов для социальных, технологических и биологических систем. В частности, команда активно работает над проектированием энергосистемы, которая была бы более стабильной при одновременном учете увеличения доли энергии из возобновляемых источников.