Vagalumes, células do coração, relógios, e as redes de energia fazem isso - elas podem sincronizar espontaneamente, enviando sinais em uníssono. Durante séculos, os cientistas ficaram perplexos com este comportamento auto-organizador, surgindo com teorias e experimentos que compõem a ciência da sincronização. Mas apesar do progresso sendo feito no campo, mistérios ainda persistem - em particular, como redes de elementos completamente idênticos podem sair de sincronia.

Agora, em um novo estudo na edição de 8 de março da revista Ciência , Os pesquisadores da Caltech demonstraram experimentalmente como uma rede simples de nanomáquinas sincronizadas idênticas pode dar origem a uma falta de sincronia, estados complexos. Imagine uma linha de dançarinos de Rockette:quando todos estão chutando ao mesmo tempo, eles estão em sincronia. Um dos estados complexos observados surgindo da rede simples seria semelhante aos dançarinos de Rockette chutando suas pernas "fora de fase" entre si, onde todos os outros dançarinos estão chutando uma perna, enquanto os dançarinos no meio acabam de terminar um chute.

Os resultados demonstram experimentalmente que mesmo redes simples podem levar à complexidade, e este conhecimento, por sua vez, pode levar a novas ferramentas para controlar essas redes. Por exemplo, compreendendo melhor como as células cardíacas ou redes de energia exibem complexidade em redes aparentemente uniformes, os pesquisadores podem ser capazes de desenvolver novas ferramentas para empurrar essas redes de volta ao ritmo.

"Queremos aprender como podemos apenas fazer cócegas, ou empurre suavemente, um sistema na direção certa para colocá-lo de volta em um estado sincronizado, "diz Michael L. Roukes, o professor de física Frank J. Roshek, Física aplicada, e Bioengenharia na Caltech, e investigador principal do novo Ciência estude. "Isso talvez pudesse engendrar uma forma de novo, desfibriladores menos agressivos, por exemplo, para colocar o coração de volta no ritmo. "

As oscilações sincronizadas foram notadas pela primeira vez em 1600, quando o cientista holandês Christiaan Huygens, conhecido por descobrir a lua de Saturno Titã, notou que dois relógios de pêndulo pendurados em um suporte comum acabariam por funcionar em uníssono. Através dos séculos, matemáticos e outros cientistas descobriram várias maneiras de explicar o estranho fenômeno, visto também nas células do coração e do cérebro, vagalumes, nuvens de átomos frios, os ritmos circadianos dos animais, e muitos outros sistemas.

Em essência, essas redes consistem em dois ou mais osciladores (os nós da rede), que têm a capacidade de marcar por conta própria, enviando sinais repetidos. Os nós também devem ser conectados de alguma forma uns aos outros (através das bordas da rede), para que eles possam se comunicar e enviar mensagens sobre seus vários estados.

Mas também tem sido observado desde o início dos anos 2000 que essas redes, mesmo quando consistindo em osciladores idênticos, pode sair de sincronia espontaneamente e evoluir para padrões complexos. Para entender melhor o que está acontecendo, Roukes e colegas começaram a desenvolver redes de dispositivos nanomecânicos oscilantes. Eles começaram apenas conectando dois, e agora, no novo estudo, desenvolveram um sistema interconectado de oito pessoas.

Para a surpresa da equipe, o sistema de oito nós evoluiu espontaneamente para várias formas exóticas, estados complexos. "Esta é a primeira demonstração experimental de que esses muitos distintos, estados complexos podem ocorrer no mesmo sistema simples, "diz o co-autor James Crutchfield, um associado visitante em física na Caltech e um professor de física na UC Davis.

Para voltar à metáfora Rockettes, outro exemplo de um desses estados complexos seria se todos os outros dançarinos estivessem chutando uma perna para cima, enquanto os dançarinos no meio estavam fazendo algo totalmente diferente, como agitar seus chapéus. E os exemplos ficam ainda mais matizados do que isso; com pares de dançarinos fazendo os mesmos movimentos entre pares de outras danças fazendo algo diferente.

"A característica desconcertante desses estados particulares é que as Rockettes em nossa metáfora só podem ver seu vizinho mais próximo, ainda consegue se coordenar com o vizinho de seu vizinho, "diz o autor principal Matthew Matheny, um cientista pesquisador da Caltech e membro do Kavli Nanoscience Institute.

"Não sabíamos o que iríamos ver, "diz Matheny." Mas o que esses experimentos estão nos dizendo é que você pode extrair complexidade de um sistema muito simples. Isso foi algo sugerido antes, mas não mostrado experimentalmente até agora. "

“Esses estados exóticos decorrentes de um sistema simples são o que chamamos de emergentes, "diz Roukes." O todo é maior do que a soma das partes. "

Os pesquisadores esperam continuar a construir redes cada vez mais complexas e observar o que acontece quando mais de oito nós são conectados. Eles dizem que quanto mais eles podem entender sobre como as redes evoluem ao longo do tempo, mais eles podem controlá-los com precisão de maneiras úteis. E, eventualmente, eles podem até mesmo ser capazes de aplicar o que estão aprendendo a modelar e compreender melhor o cérebro humano - uma das redes mais complexas que conhecemos, com não apenas oito nós, mas 200 bilhões de neurônios conectados uns aos outros normalmente por milhares de bordas sinápticas.

"Décadas após as primeiras teorias da ciência da sincronização, e estamos finalmente começando a entender o que está acontecendo, "diz Roukes." Vai demorar um pouco antes de entendermos a rede incrivelmente complexa de nosso cérebro. "

O novo Ciência o estudo é intitulado, "Estados exóticos em uma rede simples de osciladores nanoeletromecânicos."