physics4u - Χάος ίσον Τάξη : Φυσικοί κάνουν ανακάλυψη που προκαλεί σύγχυση

Σύμφωνα με μια υπολογιστική μελέτη που πραγματοποιήθηκε από μια ομάδα φυσικών στο πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο St. Louis, μπορεί κάποιος να δημιουργήσει τάξη με την εισαγωγή σε ένα σύστημα μιας διαταραχής.

Ενώ εργάζονταν με το μοντέλο τους - ένα δίκτυο διασυνδεμένων εκκρεμών ή "ταλαντωτών" - οι ερευνητές παρατήρησαν ότι όταν καθοδηγούνταν από συντονισμένες δυνάμεις, τα διάφορα εκκρεμή συμπεριφέρθηκαν χαοτικά και η ταλάντευση τους απείχε κατά πολύ από το συγχρονισμό. Ήταν γι αυτούς ένα απροσδόκητο θέαμα - δεν θα έπρεπε οι συγχρονισμένες δυνάμεις να δημιουργήσουν και συγχρονισμένα εκκρεμή;

Αλλά παρακάτω ήρθε και η πραγματική έκπληξη: Όταν εισήγαγαν την διαταραχή - οι δυνάμεις εφαρμόστηκαν τώρα τυχαία σε κάθε ταλαντωτή - το σύστημα έγινε συντονισμένο - διατεταγμένο - και συγχρονισμένο.

"Η κατάσταση που είναι έξω από τις προβλέψεις μας είναι ότι όταν εισάγετε την αναταραχή στο σύστημα - όταν δηλαδή οι δυνάμεις δρουν στα εκκρεμή τυχαία - το χάος που ήταν παρόν πριν εξαφανίζεται και υπάρχει τάξη", λέει ο Sebastian Brandt, μεταπτυχιακός σπουδαστής της φυσικής και επικεφαλής της μελέτης που δημοσιεύτηκε στην έκδοση Ιανουαρίου 2006 του περιοδικού Physical Review Letters.

Ιδέες σε άλλες σφαίρες

Η έρευνα των φυσικών είναι όχι μόνο δύσκολο να την κατανοήσουν οι μη-φυσικοί, αλλά προκαλεί σύγχυση και στους φυσικούς, επίσης. Και όπως λέει ο επόπτης καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον Ralf Wessel "κάθε φυσικός που το ακούει μένει έκπληκτος".

Η έρευνα για το ρόλο της διαταραχής στα σύνθετα συστήματα είναι αρκετά νέα και όχι και τόσο κατανοητή. Ο Wessel ελπίζει ότι μια ημέρα θα έχουμε καλύτερη θεωρητική κατανόησή για το ζήτημα αυτό.

Εντούτοις, οι ερευνητές θεωρούν ότι το μοντέλα θα μπορούσαν να μας δώσουν ιδέες έξω από τη σφαίρα της θεωρητικής φυσικής.

Οι νευρώνες, παραδείγματος χάριν, έχουν μοντελοποιηθεί καθώς διασυνδέονται, ή "συνδέονται", και οι ταλαντωτές λόγω του τρόπου που αλληλεπιδρούν ο ένας με τον άλλο. Στο μοντέλο, οι συνδεδεμένοι ταλαντωτές μπορούν να τους φανταστούμε σαν να είναι δεμένοι με τον κοντινότερο γείτονά τους, επηρεάζοντας κατά συνέπεια την κίνησή τους. Οι νευρώνες, αφ' ετέρου, μπορούν να επιδείξουν μια επαναλαμβανόμενη ηλεκτρική δραστηριότητα, που μπορεί να επηρεαστεί από τη δραστηριότητα των γειτονικών νευρώνων.

"Τα προηγούμενα παραδείγματα, αναγνωρίζει η Babette Dellen, μπορούν να βοηθήσουν στη λύση των ανεξήγητων παρατηρήσεων. Η Dellen μελέτησε αρχικά το μοντέλο σε ένα νευρολογικό πλαίσιο. Αλλά άφησε το πρόγραμμα της κατά μέρος όταν ο Brandt προσχώρησε στην ερευνητική ομάδα για να μελετήσει τον συγχρονισμό που προκλήθηκε από την αναταραχή, με σκοπό να το ερευνήσει πιο βαθιά. Τέλος, οι τρεις τους συντόνισαν τις εργασίες τους.

Η Dellen εξηγεί ότι στους νευρώνες κανένας δεν έχει βρει καμιά επαρκή εξήγηση γιατί λειτουργούν παρόμοια με τους πιο πάνω ταλαντωτές. Ενώ ο Wessel λέει ότι ίσως οι λεπτομέρειες των νευρώνων είναι απολύτως άσχετες. Ίσως είναι μόνο μια ιδιότητα των ταλαντωτών."

Μια ζωτικής σημασίας ομοιότητα μεταξύ του μοντελοποιημένου συστήματος των ταλαντωτών και των νευρώνων είναι, ότι και οι δύο είναι "μη γραμμικοί" - που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ένας γραμμικός συσχετισμός μεταξύ της εφαρμοσμένης δύναμης και της μετατόπισης.

Με άλλα λόγια, οι ταλαντωτές στο μοντέλο μπορούν να παρομοιαστούν με ένα παιδί σε μια κούνια. Το παιδί θα κινηθεί αρχικά ανάλογα με πόσο πολύ το σπρώχνετε - εάν το ωθήσετε με διπλάσια δύναμη θα πάει δύο φορές πιο μακριά.

Αλλά σχεδόν όλα τα σύνθετα συστήματα στη φύση, όπως και το μοντέλο των φυσικών, είναι μη γραμμικά. Μόλις φτάσει και το παιδί σε ένα ορισμένο ύψος, αν το σπρώξετε το παιδί με διπλάσια δύναμη δεν θα πάει και σε διπλάσιο ύψος.

Οι νευρώνες από την άλλη αποτελούνται από πολλά στοιχεία και είναι τυπικά μη γραμμικοί.

"Όταν ακούτε την αγαπημένη μουσική σας με διπλάσια ένταση δεν διπλασιάζετε την ευχαρίστηση σας", εξηγεί ο Brandt, εξηγώντας πώς μια πτυχή του εγκεφάλου - η ακρόαση - είναι μη γραμμική.

Ενώ άλλη έρευνα έχει δείξει ότι η διαταραχή μπορεί να δημιουργήσει τάξη, αυτές οι μελέτες περιελάμβαναν συχνά παραμέτρους χειρισμού τους μέσα στα συστήματα, όπως το μεταβαλλόμενο μήκος των εκκρεμών.

Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία τους είναι νέα, επειδή περιλαμβάνει την μεταβολή των δυνάμεων που εξασκούνται εξωτερικά. Κατά συνέπεια, θεωρούν, ότι τα συμπεράσματά τους μπορεί να έχουν πιθανότητα να βρίσκονται και στον πραγματικό κόσμο, όπου θα ήταν δυσκολότερο να αλλαχτούν οι παράμετροι μέσα στο σύστημα - παραδείγματος χάριν οι νευρώνες - αλλά σχετικά απλό να εφαρμοστεί ένας εξωτερικός καταναγκασμός.

"Αυτή είναι φυσικά μια βασική έρευνα", αναφέρει ο Brandt. "Αλλά αυτό που μπορείτε να μάθετε από αυτή είναι, ότι τα σύνθετα συστήματα μερικές φορές συμπεριφέρονται με έναν πολύ απροσδόκητο τρόπο, εντελώς αντίθετα από τη διαίσθηση ή αυτό που προσδοκούμε. Θα είναι ενδιαφέρον να δει κάποιος εάν ο μηχανισμός που έχουμε βρει μπορεί πραγματικά να τεθεί σε κάποια χρήση."