Sincronizzazione, in cui due diversi sistemi oscillano in modo identico, alla base di numerosi fenomeni collettivi osservati in natura, fornendo un esempio per comportamenti emergenti che vanno dall'unisono acustico dei cori di cricket al comportamento del cervello umano.

I sistemi caotici possono anche sincronizzarsi tra loro? Come emergono la sincronizzazione e l'auto-organizzazione da sistemi che all'inizio non avevano queste proprietà? Caratterizzare e comprendere il passaggio dal disordine alla sincronia è di fondamentale importanza per comprendere l'emergere della sincronizzazione e dell'auto-organizzazione in natura.

In un nuovo studio pubblicato su Revisione fisica E , fisici dell'Università Bar-Ilan in Israele, insieme ai colleghi spagnoli, India e Italia, analizzato il sistema Rossler, un noto sistema caotico che i fisici hanno studiato a fondo per quasi 40 anni. Guardando questo sistema da una nuova prospettiva, hanno scoperto nuovi fenomeni che sono stati finora trascurati.

Per la prima volta i ricercatori sono stati in grado di misurare il processo a grana fine che porta dal disordine alla sincronia, scoprendo un nuovo tipo di sincronizzazione tra sistemi caotici. Chiamano questo nuovo fenomeno Sincronizzazione Topologica. Tradizionalmente, la sincronizzazione è stata esaminata confrontando l'andamento temporale dell'attività dei due sistemi. La sincronizzazione topologica esamina invece la sincronizzazione confrontando le strutture dei sistemi. Il sistema caotico viene quindi esaminato a livello della sua struttura, adottando un approccio più globale per determinare il processo di sincronizzazione.

"Sistemi caotici, anche se imprevedibile, hanno ancora una sottile organizzazione globale chiamata attrattore strano, "dice Nir Lahav, del Dipartimento di Fisica dell'Università Bar-Ilan, l'autore principale dello studio. "Ogni sistema caotico attrae il proprio strano attrattore unico. Per sincronizzazione topologica intendiamo che due strani attrattori hanno la stessa organizzazione e le stesse strutture. All'inizio del processo di sincronizzazione, piccole aree su uno strano attrattore hanno la stessa struttura dell'altro attrattore, il che significa che sono già sincronizzati con l'altro attrattore. Alla fine del processo, tutte le aree di uno strano attrattore avranno la struttura dell'altro e la completa sincronizzazione topologica è stata raggiunta."

La scoperta della sincronizzazione topologica rivela che, contrariamente a quanto ipotizzato in precedenza, i sistemi caotici si sincronizzano gradualmente attraverso strutture locali che, sorprendentemente, prendono il via nelle aree sparse del sistema e solo successivamente si diffondono nelle aree più popolate. In queste zone sparse l'attività è meno caotica che in altre zone e, di conseguenza, è più facile che queste aree si sincronizzino rispetto a quelle che sono molto più irregolari.

"Per capire perché questo è sorprendente, pensa a questo scenario:due gruppi di amici si incontrano a una festa. In ogni gruppo possiamo trovare estroversi, che si connettono facilmente con estranei, e introversi, che trovano più difficile connettersi con un nuovo gruppo, " spiega Lahav. "Supponiamo che le prime connessioni si verifichino tra gli estroversi e solo dopo che gli introversi creino connessioni. Sarebbe molto sorprendente vedere che ciò accada al contrario. Ma questo è esattamente ciò che abbiamo trovato nei nostri risultati. Abbiamo ipotizzato che le aree dense del sistema, dove si trova la maggior parte dell'attività, si sincronizzerebbero prima tra loro (come gli estroversi), ma in realtà abbiamo scoperto che le aree a bassa densità sono state le prime a sincronizzarsi (gli introversi)."

Questa novità concettuale riguarda non solo la nostra comprensione fondamentale della sincronizzazione, ma ha anche implicazioni pratiche dirette sui limiti di prevedibilità dei sistemi caotici. Infatti, grazie a questa sincronizzazione locale appena definita, i ricercatori mostrano che lo stato di un sistema può essere dedotto dalle misurazioni dell'altro, anche in assenza di sincronia globale. Possiamo prevedere dove appariranno le aree sincronizzate nell'accoppiamento settimanale, molto prima della sincronizzazione completa.

I ricercatori stanno attualmente applicando le loro scoperte per cercare di scoprire come l'auto-organizzazione può emergere in altri sistemi complessi in natura come il cervello umano.