La ricerca mostra perché le lucciole lampeggiano all'unisono anche se ogni singolo insetto è diverso. Attestazione:Toan Phan
I ricercatori della Northwestern University hanno aggiunto una nuova dimensione all'importanza della diversità.
Per la prima volta, i fisici hanno dimostrato sperimentalmente che alcuni sistemi con entità interagenti possono sincronizzarsi solo se le entità all'interno del sistema sono diverse l'una dall'altra.
Questa scoperta offre una nuova svolta alla precedente comprensione di come il comportamento collettivo trovato in natura, come le lucciole che lampeggiano all'unisono o le cellule del pacemaker che lavorano insieme per generare un battito cardiaco, possono manifestarsi anche quando i singoli insetti o cellule sono diversi.
Adilson Motter della Northwestern, che ha condotto la ricerca, ha spiegato che entità identiche si comportano naturalmente in modo identico, fino a quando non iniziano a interagire.
"Quando entità identiche interagiscono, spesso si comportano in modo diverso l'uno dall'altro, " disse Motter, che è professore di fisica al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. "Ma abbiamo identificato scenari in cui le entità si comportano di nuovo in modo identico se le rendi adeguatamente diverse l'una dall'altra".
Questa scoperta potrebbe aiutare i ricercatori a ottimizzare i sistemi creati dall'uomo, come la rete elettrica, in cui molte parti devono rimanere sincronizzate mentre interagiscono tra loro. Potrebbe anche potenzialmente informare come gruppi di umani, come giurie, possono coordinarsi per raggiungere un consenso.
La ricerca verrà pubblicata lunedì, 20 gennaio sulla rivista Fisica della natura . Motter è stato coautore del documento con Takashi Nishikawa e Ferenc Molnar della Northwestern, un ex ricercatore post-dottorato alla Northwestern che ora è alla Notre Dame University.
Questo lavoro espande l'articolo di Nishikawa e Motter del 2016, che teoricamente prevedeva il fenomeno.
La ricerca mostra come le oche possono coordinarsi per muoversi tutte insieme in uno stormo o in una formazione a V anche se ogni singolo uccello è diverso. Credito:Wendy Wei
"È interessante che i sistemi debbano essere asimmetrici per esibire simmetria comportamentale, " disse Nishikawa, professore di fisica a Weinberg. "Questo è notevole matematicamente, figuriamoci fisicamente. Così, molti colleghi pensavano che dimostrare sperimentalmente questo effetto fosse impossibile".
Motter e i suoi collaboratori hanno reso possibile l'apparentemente impossibile utilizzando tre generatori elettrici identici. Ciascun generatore oscillava a una frequenza di esattamente 100 cicli al secondo. Quando separato, i generatori identici si sono comportati in modo identico.
Quando è collegato per formare un triangolo, le loro frequenze divergevano, ma solo fino a quando i generatori non erano correttamente abbinati per avere dissipazioni di energia diverse. A quel punto, si sono sincronizzati di nuovo.
"Questo può essere visualizzato mettendo una piccola lampada tra ogni coppia di generatori, " Spiegò Molnar. "Quando i generatori sono identici, la lampada tremola, il che significa che i generatori non sono sincronizzati. Ma quando la dissipazione dei generatori viene modificata a livelli diversi, l'arresto tremolante, indicando che le tensioni del generatore oscillano in sincronia."
I ricercatori hanno soprannominato questo fenomeno "rottura della simmetria inversa" perché rappresenta l'opposto del fenomeno precedentemente noto della rottura della simmetria, che è alla base della superconduttività, il meccanismo di Higgs e persino l'aspetto delle strisce zebrate.
Nella rottura della simmetria, le equazioni dinamiche hanno una simmetria che non si osserva nel comportamento del sistema, mentre la rottura della simmetria inversa riguarda situazioni in cui il comportamento del sistema ha una data simmetria solo quando tale simmetria è evitata nelle equazioni dinamiche.
"Potrebbe sembrare controintuitivo, " ha detto Motter. "Ma la nostra teoria prevede che questo sia vero in molti sistemi, non solo elettromeccanici."
Il team di Motter prevede di esplorare le implicazioni delle loro scoperte sui social, sistemi tecnologici e biologici. In particolare, il team sta lavorando attivamente alla progettazione di una rete elettrica che sia più stabile e che consenta l'incorporazione di una quota crescente di energia da fonti rinnovabili.
