混沌世界中奇妙的同步探索史
混沌世界中奇妙的同步探索史
不知道您是否注意到一种现象？人群中不连贯的拍手会突然变得整齐划一，所有人都以同样的节拍发出声响，是谁决定了这一切？不是你，也不是人群中任何一个人，这是一种称之为同步的现象。
自然界中蟋蟀会同步唱歌，一些萤火虫在黑暗中一起眨眼，节拍器并排摆放会形成步伐一致的活动。 在整个美国，电网运行在60赫兹，它无数的交流的支流自动同步。事实确实如此，我们生活是因为同步。我们大脑中的神经元以同步的方式运作着我们的身体和大脑，我们心脏中的起搏器细胞也是同步产生节拍。
有节奏的物体自然地同步。然而这种现象直到1665年才被完全记录在案，当时荷兰物理学家、发明家克里斯蒂安·惠更斯因病卧床数日。一对新摆钟并排悬挂在墙上，这是惠更斯发明的一种计时装置 。惠更斯注意到钟摆的摆动是完全一致的。也许是来自空中的压力使它们的摆动同步? 他进行了各种实验，例如，把桌子立在两个时钟之间对它们的同步没有影响。但是，当他把时钟重新挂在相隔很远的地方，或者彼此成直角时，它们很快就失去了相位。。惠更斯最终推断出时钟的“交感”，正如他所说，是由于它们的摆动产生的力量互相撞击钟体而产生的。
当左边的钟摆向左摆动时，它的力会撞击钟壁，于是右边的钟摆向右摆动，反之亦然，一直到它们和钟壁达到最稳定，放松的状态。对于钟摆来说，最稳定的行为是向相反的方向移动，所以每一个钟摆都把另一个钟摆推向它已经在前进的方向，就像你推秋千上的孩子一样。这对钟壁来说也是最容易的;事情，它根本不需要有任何移动，因为钟摆给它平等和相反的力量。一旦处于这种自我强化的同步状态，系统就没有理由偏离。许多系统由于类似的原因同步，撞击力会其他形式的影响所取代。
另一位荷兰人恩格尔伯特坎普弗尔于1690年前往泰国，他观察到当地的萤火虫的闪烁极其规律，而且是同时精准地闪烁。两个世纪后，英国物理学家约翰威廉斯特拉特发现注意到，并排放置两支管风琴，可以让管风琴发出完全一致的声音，尽管它们之间存在不可避免的细微差异。20世纪20年代的无线电工程师发现，将不同频率的发电机连接在一起，会迫使它们以共同的频率振动，这也是支持无线电通信系统的内在原理。
直到1967年，美国理论生物学家阿特·温弗里才从蟋蟀的脉动鸣叫中获得灵感，提出了一种同步的数学模型。只是温弗里的方程式太复杂而很难求解，1974年一位名叫田中仓本的日本物理学家发现了如何让数学简化。仓本的模型描述了一组振荡器，它们是有节奏的东西，比如节拍器和心跳，并展示了耦合振荡器自发同步的原因。当时34岁的仓本在非线性动力学方面几乎没有经验，这是一项对于世界上的变量纠缠的反馈回路的研究。当他向该学科的专家展示他的模型时，他们并没有能理解其重要性。这让仓本灰心丧气，把这项工作暂时搁置。
五年后，温弗里偶然发现了仓本关于他的模型的谈话大纲，并意识到它提供了一种革命性的新理解，来解释一种遍及世界的微妙现象。仓本的数学已经被证明是多用途和可扩展的，足以解释神经元群、萤火虫、起搏器细胞、飞行中的椋鸟、化学反应、交流电以及无数其他现实世界中耦合的“振荡器”种群的同步。现年78岁的仓本后来回忆说：我完全没想到我的模型会有广泛的适用性。
虽然仓本的模型应用无处不在，当时物理学家经过多年研究，试图理解同步的幻想还是在2001年破灭了。再一次仓本又成了破译同步的主角人物。
在仓本的原始模型中，振荡器可以被描绘成以某个固有频率以圆圈旋转的箭头。如果它是萤火虫，每次箭头指向上方时，它都会闪烁。当一对箭头耦合时，它们相互影响的强度取决于它们指向方向之间角度的正弦值。这个角度越大，正弦越大，因此相互影响越大。只有当箭头指向平行方向并且一起旋转时，它们才会停止相互拉拽。因此箭头将会漂移，直到它们找到这种同步状态。即使具有不同固有频率的振荡器，在耦合时也能达到一种折衷，并且同步振荡。
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