物理学首次证明：当实体彼此不同时，交互实体的系统才能同步
西北大学科学家为多样性的重要性增加了一个新维度：物理学家首次通过实验证明，只有当系统中的实体彼此不同时，某些具有交互实体的系统才能同步。这一发现为之前的理解提供了一个新转折，即，即使个别昆虫或细胞不同，自然界中发现的集体行为也会出现（例如萤火虫一致闪烁或起搏器细胞共同工作以产生心跳），领导这项研究的。西北大学温伯格艺术与科学学院的物理学教授莫特说：
相同的实体自然表现相同，直到它们开始相互作用当相同的实体相互作用时，它们的行为往往不同，但我们确定的情况是，如果你让这些实体彼此适当地不同，它们的行为就会再次相同。这一发现可以帮助研究人员优化人造系统，如电网，在电网中，许多部件在相互作用的同时必须保持同步。它还有可能为人类群体（如陪审团）如何协调达成共识提供信息。
这项研究将于2020年1月20日发表在《自然物理学》期刊上。莫特与西北大学的西川隆和现任圣母大学的前西北大学博士后研究员费伦茨·莫尔纳共同撰写了这篇研究论文。这项研究工作是对西川和莫特2016年研究的扩展，后者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，系统需要是不对称的才能表现出行为对称性。这在数学上是了不起的，更不用说物理上了。
所以，许多人认为通过实验证明这种效应是不可能的。研究人员通过使用三台相同的发电机，使这一看似不可能的事情成为可能。每台发电机的振荡频率正好是每秒100周，当分开时，相同的发电机行为相同。当它们连接成一个三角形时，它们的频率就会发散，但只是在发电机完全不匹配时才会有不同的能量消耗。在这一点上，它们再次同步。这可以通过在每对发电机之间放置一盏小灯来实现，当发电机相同时，灯会闪烁，这意味着发电机不同步。
但当发电机的耗散调整到不同水平时，闪烁就会停止，这表明发电机电压正在同步振荡。研究人员将这种现象称为“逆向对称破缺”，因为它代表了与之前已知对称破缺现象相反的现象，而对称破缺现象是超导、希格斯机制甚至斑马条纹出现的基础。在对称破缺中，动力学方程具有在系统行为中没有观察到的对称性，而反向对称破缺涉及只有在动力学方程中避免了该对称性时，系统行为才具有给定的对称性情况。
这似乎有违直觉，但理论预测，这在许多系统中都是正确的，而不仅仅是机电系统。研究团队计划探索其发现对社会、技术和生物系统的影响。特别值得一提的是，该团队正在积极设计一种更稳定的电网，同时允许纳入越来越多来自可再生能源的能源。
博科园｜研究/来自：西北大学
参考期刊《自然物理学》
DOI: 10.1038/s41567-019-0742-y
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