Dans certains systèmes physiques, même des éléments assez éloignés les uns des autres sont capables de synchroniser leurs actions. À première vue, le phénomène apparaît mystérieux. En utilisant un réseau d'oscillateurs électroniques simples interconnectés en anneau, des chercheurs de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie ont montré que la synchronisation à distance peut, au moins dans certains cas, être expliqué assez clairement.

Le physique le plus fascinant, les processus chimiques et biologiques sont probablement ceux dans lesquels « quelque chose » vient de « rien ». Par exemple, pourquoi des anneaux concentriques apparaissent-ils soudainement dans une couche de liquide apparemment homogène, comme dans le cas de la réaction Belousov-Zhabotinsky ? Pourquoi une hydre peut-elle avoir plusieurs tentacules, toujours arrangé si régulièrement? Pourquoi dans un réseau d'une dizaine d'oscillateurs électroniques simples connectés en anneau, des éléments distants se mettent-ils soudainement à fonctionner au même rythme ? À l'origine de phénomènes similaires dans des systèmes si différents, il y a des universels, bien qu'encore mal compris, mécanismes de synchronisation de l'activité des composants d'un système. Les nuances d'un de ces mécanismes viennent d'être expliquées par des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, en étroite collaboration avec des collègues de l'Université de Palerme et de l'Université de Catane en Italie.

La synchronisation conduisant à la naissance de la forme (représentant une forme de morphogenèse) peut se produire dans des systèmes de nature diverse, et divers mécanismes peuvent être responsables de son apparition. Une métaphore d'une situation représentative est que dans un groupe assez uniforme d'invités qui ne se connaissent pas lors d'une grande fête, des groupes clairement visibles d'intérêts similaires se forment rapidement, dans lequel les gens passent le plus clair de leur temps à se parler. Ce type de phénomène, résultant de caractéristiques spécifiques de certains éléments ou résultant d'événements accidentels, est appelé synchronisation de cluster. Il est présent dans de nombreux systèmes physiques, par exemple, entre les neurones du cerveau humain.

« Dans nos dernières recherches, nous avons eu affaire à une instance d'un type de synchronisation connexe, synchronisation à distance. C'est lorsque des éléments ou des groupes d'éléments qui ne sont pas directement connectés les uns aux autres synchronisent leur activité, mais le faire sans entraîner les autres éléments à travers lesquels l'information de synchronisation est propagée. Cela ressemble à une situation dans laquelle deux personnes échangent des informations par l'intermédiaire d'un coursier, mais le coursier non seulement ne peut pas lire le contenu des messages, mais est souvent tout à fait inconscient de l'existence d'un message caché, " explique le Dr Ludovico Minati (FIJ PAN), l'auteur principal de la publication dans la célèbre revue scientifique le chaos .

Diverses occurrences de synchronisation à distance ont été décrites à ce jour, et la synchronisation à distance est censée se produire entre des zones du cerveau éloignées les unes des autres, entre les phénomènes météorologiques sur différents continents, et même entre des éléments de circuits électroniques. En 2015, Dr Minati, puis à l'Université de Trente, ont décrit un exemple de ce type de synchronisation dans des réseaux construits à partir d'une douzaine d'oscillateurs électroniques simples connectés en série en anneau. On a alors remarqué que les oscillateurs individuels essayaient de se synchroniser non seulement avec leurs voisins les plus proches sur l'anneau, mais aussi avec d'autres plus éloignés, tout en restant moins désynchronisé avec d'autres situés à une distance intermédiaire.

"Nous avons observé cet effet avec une réelle fascination, car il s'est produit dans un appareil beaucoup plus petit, mais surtout, radicalement plus simple que le cerveau. Le phénomène a été décrit en détail. Malheureusement, nous n'avons pas été en mesure de comprendre pleinement sa nature. Nous n'avons présenté qu'une explication satisfaisante dans notre dernière publication, " dit le Dr Minati.

Des chercheurs de l'IFJ PAN ont étudié des anneaux d'oscillateurs expérimentalement et à l'aide de simulations informatiques. L'observation que l'information doit se propager dans les anneaux en utilisant non pas une mais trois fréquences s'est avérée être une percée (à cet égard, le phénomène ressemble à la modulation d'amplitude utilisée en technologie radio). Chaque oscillateur a non seulement généré son propre signal de nature chaotique, mais aussi réagi aux signaux provenant d'oscillateurs proches, et les a transférés aux deux autres bandes. Selon leur phase dans un oscillateur donné, ces signaux ont été amplifiés ou affaiblis d'une manière ressemblant à un effet d'interférence. Les chercheurs ont ainsi observé des motifs rappelant les bandes de diffraction bien connues de l'optique. Des fluctuations d'intensité de synchronisation donnant lieu à une "distance" sont apparues entre les oscillateurs dans lesquels se produisaient des interférences constructives ou destructives.

Afin de mieux comprendre la nature de la synchronisation observée, les physiciens basés à Cracovie ont soumis les anneaux d'oscillateur à des tests supplémentaires. La sensibilité de la synchronisation aux bruits de haute intensité introduits en différents sites des systèmes a été testée, et des nombres variables d'oscillateurs dans l'anneau ont été simulés ainsi que les effets apparaissant sur son ouverture. L'analyse des résultats a permis de déterminer que dans les anneaux d'oscillateurs étudiés, la synchronisation à distance n'est pas tant une caractéristique globale de l'ensemble du système, car c'est le résultat des interactions locales des oscillateurs individuels avec leur environnement. À la fois, les chercheurs ont également cherché à savoir si la synchronisation à distance pouvait être utilisée pour transférer un signal introduit dans le système depuis l'extérieur. Le résultat, cependant, était négatif.

« Comprendre les mécanismes associés à l'apparition d'interdépendances complexes entre des éléments dans des systèmes de nature diverse est un grand défi en science non linéaire. Nous avons encore une compréhension limitée des mécanismes responsables de la plupart des types de synchronisation à distance. Une connaissance plus complète des aurait une signification théorique et pratique considérable. Qui sait ? Peut-être serions-nous en mesure de mieux prévoir, par exemple, des comportements collectifs sur divers réseaux sociaux ou encore sur les marchés financiers, " déclare le Pr Stanislaw Drozdz (FIJ PAN, Université de technologie de Cracovie).