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物理学表明，缺陷可以使完美：系统仅在个别零件不匹配时才可以同步

时间：2021-09-06 18:52:08 来源：

研究表明，为什么萤火虫会一致地眨眼，即使每个昆虫个体都不一样。

西北大学的研究人员为人的重要性增加了新的维度。

物理学家首次通过实验证明，具有相互作用实体的某些系统只有在系统中的实体彼此不同时才能进行同步。

这一发现为以前对自然界中的集体行为（例如萤火虫在统一中闪烁或起搏器细胞协同工作以产生心跳）如何发生的先前理解提供了新的理解，即使当昆虫个体或细胞不同时也是如此。

负责这项研究的西北航空公司的阿迪尔森·莫特（Adilson Motter）解释说，相同的实体自然会表现出相同的行为-直到它们开始相互作用为止。

西北大学温伯格文理学院的物理学教授莫特说：“当相同的实体相互作用时，它们之间的行为常常会有所不同。”彼此之间有细微的差别。

“这项发现在数学上是非凡的，更不用说在物理上了。”—西川隆

这一发现可以帮助研究人员优化诸如电网之类的人造系统，其中许多零件在相互交互时必须保持同步。它还可能潜在地告知诸如陪审团之类的人如何协调以达成共识。

该研究今天（1月20日）发表在《自然物理学》杂志上。莫特与西北大学的高川西川（Takashi Nishikawa）和费伦茨·莫尔纳（Ferenc Molnar）共同撰写了该论文，前西北大学的博士后研究员现在就职于圣母大学。

这项工作是对Nishikawa和Motter在2016年发表的论文进行的扩展，该论文从理论上预测了这一现象。

温伯格物理学研究教授西川说：“有趣的是，系统必须不对称才能表现出行为对称性。”“这在数学上是惊人的，更不用说在物理上了。因此，许多同事认为不可能通过实验证明这种效果。”

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莫特和他的合作者通过使用三个相同的发电机，使看似不可能的事情成为可能。每个发生器都以每秒精确地100个周期的频率振荡。分开时，相同的生成器的行为相同。

当连接成一个三角形时，它们的频率会逐渐增大，但是直到发电机正确失配以产生不同的能量耗散为止。那时，他们再次同步。

“这可以通过在每对发电机之间放置一个小灯来实现，” Molnar解释说。“当发电机相同时，灯会闪烁，这意味着发电机不同步。但是，当发电机的耗散被调整到不同的水平时，闪烁将停止，这表明发电机电压正在同步振荡。”

研究人员称此现象为“逆对称破坏”，因为它与先前已知的对称破坏现象相反，后者是超导性，希格斯机制甚至斑马条纹的出现的基础。

在对称破坏中，动力学方程具有在系统行为中未观察到的对称性，而相反对称破坏涉及仅在动力学方程中避免对称性时系统行为具有给定对称性的情况。

“这似乎违反直觉，”莫特说。“但是我们的理论预测，这在许多系统中都是正确的，而不仅仅是机电系统。”

Motter的小组计划探索其发现对整个社会，技术和生物系统的影响。特别是，该团队正在积极设计更稳定的电网，同时允许纳入越来越多的可再生能源。

这项由西北大学的“有限地球计划”和陆军研究办公室（授权号为W911NF-15-1-0272）支持的“网络实验证明了反对称性的破坏”。Motter还是西北复杂系统研究所的成员。

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