物理学表明不完美造就完美

西北大学的研究人员为多样性的重要性增加了一个新的维度。

这是物理学家第一次通过实验证明，具有相互作用的实体的某些系统只有在实体彼此不同的情况下才能同步。

这一发现为先前的理解提供了一个新的转折，即在自然界中发现的集体行为是如何产生的——例如萤火虫一致地闪光或起搏器细胞一起工作产生心跳——甚至在个体昆虫或细胞不同的情况下也会出现。(看一段关于这个实验的视频。)

Adilson有争议

西北大学的Adilson Motter领导了这项研究，他解释说，相同的实体在开始相互作用之前，它们的行为自然是相同的。

Motter是西北大学温伯格文理学院的物理学教授，他说:“当相同的实体相互作用时，它们的行为往往是不同的。”“但我们发现，如果你让实体之间存在细微差别，它们的行为就会再次相同。”

这一发现可能有助于研究人员优化人类制造的系统，比如电网，其中许多部分在相互作用时必须保持同步。它还可能潜在地告知人类群体，如陪审团，如何协调以达成共识。

这项研究发表在今天(1月20日)的《自然物理》杂志上。Motter与西北大学的Takashi Nishikawa和Ferenc Molnar共同撰写了这篇论文。Ferenc Molnar曾是西北大学的博士后研究员，现在在圣母大学工作。

这项工作扩展了西川和莫特在2016年的论文，该论文从理论上预测了这一现象。

“有趣的是，系统需要不对称才能表现出行为对称性，”西川说，他是温伯格的物理学研究教授。“这在数学上是了不起的，更不用说在物理上了。因此，许多同事认为实验证明这种效应是不可能的。”

莫特和他的合作者们用三台完全相同的发电机使看似不可能的事情变成了可能。每个发电机以每秒钟100个周期的频率振荡。当分开时，相同的生成器表现相同。

当连接成一个三角形时，它们的频率会发散，但只有在发电机完全不匹配时才会有不同的能量耗散。这时，他们又同步了。

这一发现在数学上是非凡的，更不用说在物理上了。西川隆是6031号物理学家

“这可以通过在每一对发电机之间放置一个小灯来实现，”Molnar解释说。当发电机是相同的，灯闪烁，这意味着发电机不同步。但当发电机的损耗被调整到不同的水平时，闪烁就会停止，表明发电机的电压在同步振荡。”

研究人员将这一现象称为“逆向对称性破坏”，因为它代表了之前已知的对称性破坏现象的对立面，而对称性破坏是超导性、希格斯介子机制甚至斑马条纹出现的基础。

在对称性破缺中，动力学方程的对称性在系统的行为中没有被观察到，而逆对称性破缺则涉及到只有在动力学方程中避免对称时，系统的行为才具有给定的对称性的情况。

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

Motter的团队计划探索他们的发现在社会、技术和生物系统中的意义。特别是，该小组正在积极致力于设计一个更稳定的电网，同时允许增加可再生能源的份额。

这项名为“网络实验证明逆向对称性破坏”的研究得到了西北大学有限地球计划和陆军研究办公室的支持。莫特也是西北复杂系统研究所的成员。

主题:研究，温伯格文理学院