Senkronizasyonun sırrını açıklayın

Kuşlar yapar. Bunu böcekler yapar. Bir oyundaki seyirciler bile bunu yapar. Vücudunuzdaki hücreler bunu şimdi yapıyor, bu gerçekten şaşırtıcı.

Hepsinin yaptığı şey senkronizasyon. Bir yaz tarlasında ritimle yanıp sönen şimşek böceklerinden, bir şekilde ritme giren seyircilerin gürleyen alkışlarına kadar, yaşam ve evren, popülasyonlar arasında spontane senkronizasyonun çok sayıda büyüleyici örneğini sunar. Bunun nasıl olduğu hakkında hala derin gizemler olsa da, bilim adamları sadece kendiliğinden senkronizasyonu açıklamakla kalmayıp, yaşam ve onun bilgi kullanımı hakkında bazı temel ipuçları sağlayabilecek temel mekanizmayı zaten anladılar.

eşzamanlılık

Bilim adamları, bilimin doğuşundan bu yana eşzamanlılık bilmecesiyle karşı karşıya kaldılar. 1665’te sarkaçlı saatleri icat eden Christian Huygens, garip bir vizyon hakkında yazdı. bir tür sempati Yan yana yerleştirilmiş sarkaçlarla paylaşılır. Her biri sahneden çıktıktan sonra – başka bir deyişle, kendi ritimlerine göre sallanarak – sarkaçlar hızla mükemmel bir dansa girdiler. Parlak bir fizikçi olan Huygens, maddenin her iki sarkacı destekleyen ve onların senkronize olmasına neden olan bazı ince ve algılanamaz hareketi olması gerektiği sonucuna vardı.

Konu daha sonra mekanik fenomenlerin ötesine geçecektir. 1948’de Norbert Wiener adlı bir kitap yazdı. özerklik sistemlerde kontrol ve iletişimin ikili sorunlarına odaklandı. Weiner kitabında, büyük hamamböceği veya nöron gruplarının davranışlarını nasıl senkronize ettiğini, böylece tweet’lerinin veya nöronal ateşlemelerinin kilit adım ilerlemesinde sona erdiğini sorguladı.

Öyleyse, hem canlı hem de cansız dünyalar kendiliğinden eşzamanlılık sergiliyorsa, onların özünü yakalamak için gereken anahtar unsurlar nelerdir?

kuplaj ve osilatörler

Bu alandaki kritik bir ilerleme, tüm senkronizasyon durumlarının iki bileşen kullanılarak matematiksel olarak yakalanabileceğinin kabul edilmesinden geldi. Önce bir dosya var osilatör popülasyonu Kendini tekrar eden her şeyi söylemenin harika bir matematiksel yolu. Sarkaç mekanik bir osilatördür. Beyindeki bir nöronun sık sık ateşlenmesi hücresel bir osilatördür. Bir alanda yanıp sönen yıldırım böcekleri hayvan osilatörleridir.

Bir sonraki adım, tüm bireyler arasında bir tür eşleşmeye izin vermektir. Sarkaçlar bir masanın üzerinde durur. Nöronların diğer nöronlarla bağlantıları vardır. Ateşböcekleri bazılarının yandığını görebilir. Bunların hepsi bağlantı örnekleridir.

Her Perşembe gelen kutunuza gönderilen beklenmedik, şaşırtıcı ve dokunaklı hikayeler almak için abone olun

Bu iki bileşenle, temel olarak dopingle ilgili diferansiyel denklemler olan dinamik sistemler olarak adlandırılanlar kullanılarak tüm problem matematikte açıkça ele alınabilir. Yoshiki Kuramoto’nun 1975 ve 1982’de yazılan iki makalede yaptığı tam olarak budur. Kuramoto modeli olarak adlandırılan model, kendiliğinden eşzamanlılık araştırmasının altın temeli oldu. Kuramoto’nun modeli, osilatörler arasındaki bağlantının gücü ile her birinin içindeki doğuştan gelen frekanslar arasında bir denge olduğunu ortaya çıkardı.

Frekans nedir, Kuramoto?

Her hamamböceği kendi nabzı ile ötüyorsa – diğer tüm hamamböcekleriyle karşılaştırıldığında tamamen rastgele bir nabız – yalnızca çok güçlü bir bağlantı, hamamböceklerini güzel bir şekilde senkronize ederdi. Burada “güçlü eşleşme”, cırcır böceklerinin gerçekten birbirini önemsediği anlamına gelir. Kötü eşleşme, cırcır böceklerinin birbirini duyduğu anlamına gelebilir, ancak fazla dikkat etme motivasyonları yoktur. Ancak tüm hamamböceklerinin doğuştan gelen cıvıltı frekansları birbirine nispeten yakınsa, eşzamanlı hale gelebilirler ve o zaman zayıf eşleşme ile bile bunu yapabilirler.

Doğuştan gelen frekansların geniş aralığı, senkronize olmak için güçlü bağlantılara ihtiyaç duyar. Doğuştan gelen frekansların küçük aralığı, senkronizasyon için yalnızca zayıf bağlantılara ihtiyaç duyar.

Ancak Kuramoto’nun modelinin ortaya koyduğu en önemli özellik, bu tip sistemlerde faz geçiş özelliğiydi. Faz değişikliği, bir davranış türünden (senkronizasyon yok) diğerine (tam senkronizasyon) nispeten ani bir geçiştir. Bilim adamları, Kuramoto’nun modelinin, faz değişiminin ayırt edici bir özelliği olan net bir senkronizasyon başlangıcı gösterdiğini buldular. Bir dizi osilatör arasındaki bağlantı gücü arttıkça, kaostan koroya ani geçiş yapacaktır.

Kuramoto modeli, karmaşık bir sistemdeki karmaşık davranışları yakalayabilen basit bir matematiksel sistemin güzel bir örneğidir. Bu yüzden meslektaşlarım ve ben onu anlamsal bilgi teorisi geliştirmeye çalışırken ilk adım olarak kullanıyoruz. Yakın zamanda, hayatın anlam yaratmak için bilgiyi nasıl kullandığını anlamak için Templeton Vakfı’ndan bir hibe aldık – doğal bilgi teorisinin gerçekten ele almadığı bir şey. Kuramoto’nun modeli basit olduğundan ve hayatın sergilediği harika davranışlardan bahsettiğinden, onu bilgi teorisi çerçevesinde yeniden formüle edip edemeyeceğimizi görmeyi planlıyoruz. Eğer işe yararsa, hayatın ve evrenin uyumdan nasıl anlam çıkardığını biraz daha derinlemesine görebiliriz.