La recherche montre pourquoi les lucioles clignotent à l'unisson même si chaque insecte est différent. Crédit :Toan Phan
Les chercheurs de la Northwestern University ont ajouté une nouvelle dimension à l'importance de la diversité.
Pour la première fois, les physiciens ont démontré expérimentalement que certains systèmes avec des entités en interaction ne peuvent se synchroniser que si les entités au sein du système sont différentes les unes des autres.
Cette découverte offre une nouvelle tournure à la compréhension précédente de la façon dont le comportement collectif trouvé dans la nature, comme les lucioles clignotant à l'unisson ou les cellules de stimulateur cardiaque travaillant ensemble pour générer un rythme cardiaque, peut survenir même lorsque les insectes ou les cellules individuels sont différents.
Adilson Motter de Northwestern, qui a dirigé la recherche, a expliqué que des entités identiques se comportent naturellement de manière identique, jusqu'à ce qu'elles commencent à interagir.
"Lorsque des entités identiques interagissent, ils se comportent souvent différemment les uns des autres, " dit Motter, qui est professeur de physique au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. "Mais nous avons identifié des scénarios dans lesquels les entités se comportent à nouveau de manière identique si vous les rendez convenablement différentes les unes des autres."
Cette découverte pourrait aider les chercheurs à optimiser les systèmes fabriqués par l'homme, comme le réseau électrique, dans lequel de nombreuses parties doivent rester synchronisées tout en interagissant les unes avec les autres. Cela pourrait également potentiellement informer sur la façon dont des groupes d'humains, comme les jurys, peut se coordonner pour parvenir à un consensus.
La recherche sera publiée lundi, 20 janvier dans le journal Physique de la nature . Motter a co-écrit l'article avec Takashi Nishikawa et Ferenc Molnar de Northwestern, un ancien chercheur postdoctoral à Northwestern qui est maintenant à l'Université Notre Dame.
Ce travail développe l'article de Nishikawa et Motter en 2016, qui a théoriquement prédit le phénomène.
La recherche montre comment les oies peuvent se coordonner pour se déplacer toutes ensemble dans un troupeau ou une formation en V, même si chaque oiseau est différent. Crédit :Wendy Wei
« Il est intéressant de noter que les systèmes doivent être asymétriques pour présenter une symétrie comportementale, " dit Nishikawa, professeur de recherche en physique à Weinberg. "C'est remarquable mathématiquement, encore moins physiquement. Donc, de nombreux collègues pensaient qu'il était impossible de démontrer expérimentalement cet effet."
Motter et ses collaborateurs ont rendu possible l'impossible en utilisant trois générateurs électriques identiques. Chaque générateur oscillait à une fréquence d'exactement 100 cycles par seconde. Lorsqu'ils sont séparés, les générateurs identiques se sont comportés de manière identique.
Lorsqu'il est connecté pour former un triangle, leurs fréquences ont divergé, mais seulement jusqu'à ce que les générateurs soient correctement désappariés pour avoir des dissipations d'énergie différentes. À ce moment, ils se sont à nouveau synchronisés.
"Cela peut être visualisé en mettant une petite lampe entre chaque paire de générateurs, " expliqua Molnar. " Quand les générateurs sont identiques, la lampe clignote, ce qui signifie que les générateurs ne sont pas synchronisés. Mais lorsque la dissipation des générateurs est modifiée à différents niveaux, l'arrêt du scintillement, indiquant que les tensions du générateur oscillent en synchronisation."
Les chercheurs ont surnommé ce phénomène « brisure de symétrie inverse » car il représente l'opposé du phénomène précédemment connu de brisure de symétrie, qui sous-tend la supraconductivité, le mécanisme de Higgs et même l'apparition de zébrures.
Dans la brisure de symétrie, les équations dynamiques ont une symétrie qui n'est pas observée dans le comportement du système, tandis que la rupture de symétrie inverse concerne des situations dans lesquelles le comportement du système a une symétrie donnée uniquement lorsque cette symétrie est évitée dans les équations dynamiques.
"Cela peut sembler contre-intuitif, " dit Motter. " Mais notre théorie prédit que cela est vrai dans de nombreux systèmes, pas seulement électromécaniques."
L'équipe de Motter prévoit d'explorer les implications de leurs découvertes dans les domaines sociaux, systèmes technologiques et biologiques. En particulier, l'équipe travaille activement à la conception d'un réseau électrique plus stable tout en permettant l'incorporation d'une part croissante d'énergie issue de sources renouvelables.
