Sincronização, em que dois sistemas diferentes oscilam de maneira idêntica, está subjacente a numerosos fenômenos coletivos observados na natureza, fornecendo um exemplo para comportamentos emergentes que vão desde o uníssono acústico de coros de críquete ao comportamento do cérebro humano.

Os sistemas caóticos também podem se sincronizar entre si? Como a sincronização e a auto-organização emergem de sistemas que não tinham essas propriedades para começar? Caracterizar e compreender a transição da desordem para a sincronia é de fundamental importância para compreender o surgimento da sincronização e auto-organização na natureza.

Em um novo estudo publicado em Revisão Física E , físicos da Universidade Bar-Ilan em Israel, junto com colegas da Espanha, Índia e Itália, analisou o sistema Rossler, um sistema caótico bem conhecido que os físicos estudaram exaustivamente por quase 40 anos. Olhando para este sistema de uma nova perspectiva, eles descobriram novos fenômenos que foram negligenciados até agora.

Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram medir o processo de grão fino que leva da desordem à sincronia, descobrindo um novo tipo de sincronização entre sistemas caóticos. Eles chamam esse novo fenômeno de Sincronização Topológica. Tradicionalmente, a sincronização foi examinada comparando o curso de atividade dos dois sistemas. A sincronização topológica, em vez disso, examina a sincronização comparando as estruturas dos sistemas. O sistema caótico é, portanto, examinado no nível de sua estrutura, tendo uma abordagem mais global para determinar o processo de sincronização.

"Sistemas caóticos, embora imprevisível, ainda tem uma organização global sutil chamada atrator estranho, "diz Nir Lahav, do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan, o principal autor do estudo. "Cada sistema caótico atrai seu próprio atrator estranho único. Por Sincronização Topológica, queremos dizer que dois atratores estranhos têm a mesma organização e estruturas. No início do processo de sincronização, pequenas áreas em um atrator estranho têm a mesma estrutura do outro atrator, o que significa que eles já estão sincronizados com o outro atrator. No final do processo, todas as áreas de um atrator estranho terão a estrutura do outro e a Sincronização Topológica completa foi alcançada. "

A descoberta da Sincronização Topológica revela que, em contraste com o que foi assumido anteriormente, sistemas caóticos sincronizam-se gradualmente por meio de estruturas locais que, surpreendentemente, começar nas áreas esparsas do sistema e só então se espalhar para as áreas mais populosas. Nessas áreas esparsas, a atividade é menos caótica do que em outras áreas e, como resultado, é mais fácil para essas áreas sincronizarem em relação às que são muito mais erráticas.

"Para entender por que isso é surpreendente, pense neste cenário:dois grupos de amigos se encontram em uma festa. Em cada grupo podemos encontrar extrovertidos, que se conectam facilmente com estranhos, e introvertidos, que acham mais difícil se conectar com um novo grupo, "explica Lahav." Suporíamos que as primeiras conexões ocorreriam entre os extrovertidos e só mais tarde os introvertidos criariam conexões. Seria muito surpreendente ver isso acontecer ao contrário. Mas é exatamente isso que encontramos em nossos resultados. Assumimos que as áreas densas do sistema, onde está a maior parte da atividade, sincronizariam um com o outro primeiro (como os extrovertidos), mas, na realidade, descobrimos que as áreas de baixa densidade foram as primeiras a sincronizar (os introvertidos). "

Esta novidade conceitual não se refere apenas ao nosso entendimento fundamental de sincronização, mas também traz implicações práticas diretas sobre os limites de previsibilidade de sistemas caóticos. De fato, graças a esta sincronização local recém-definida, os pesquisadores mostram que o estado de um sistema pode ser inferido a partir de medições do outro, mesmo na ausência de sincronia global. Podemos prever onde as áreas sincronizadas aparecerão no acoplamento da semana, muito antes da sincronização completa.

Os pesquisadores estão aplicando suas descobertas para tentar descobrir como a auto-organização pode surgir em outros sistemas complexos da natureza, como o cérebro humano.