西北大學(xué)科學(xué)家為多樣性的重要性增加了一個新維度：物理學(xué)家首次通過實驗證明，只有當(dāng)系統(tǒng)中的實體彼此不同時，某些具有交互實體的系統(tǒng)才能同步。

這一發(fā)現(xiàn)為之前的理解提供了一個新轉(zhuǎn)折，即，即使個別昆蟲或細(xì)胞不同，自然界中發(fā)現(xiàn)的集體行為也會出現(xiàn)（例如螢火蟲一致閃爍或起搏器細(xì)胞共同工作以產(chǎn)生心跳），領(lǐng)導(dǎo)這項研究的。西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授莫特說：

相同的實體自然表現(xiàn)相同，直到它們開始相互作用當(dāng)相同的實體相互作用時，它們的行為往往不同，但我們確定的情況是，如果你讓這些實體彼此適當(dāng)?shù)夭煌?，它們的行為就會再次相同。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員優(yōu)化人造系統(tǒng)，如電網(wǎng)，在電網(wǎng)中，許多部件在相互作用的同時必須保持同步。它還有可能為人類群體（如陪審團(tuán)）如何協(xié)調(diào)達(dá)成共識提供信息。

這項研究將于2020年1月20日發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上。莫特與西北大學(xué)的西川隆和現(xiàn)任圣母大學(xué)的前西北大學(xué)博士后研究員費(fèi)倫茨·莫爾納共同撰寫了這篇研究論文。這項研究工作是對西川和莫特2016年研究的擴(kuò)展，后者從理論上預(yù)測了這一現(xiàn)象。溫伯格物理學(xué)研究教授西川說：有趣的是，系統(tǒng)需要是不對稱的才能表現(xiàn)出行為對稱性。這在數(shù)學(xué)上是了不起的，更不用說物理上了。

所以，許多人認(rèn)為通過實驗證明這種效應(yīng)是不可能的。研究人員通過使用三臺相同的發(fā)電機(jī)，使這一看似不可能的事情成為可能。每臺發(fā)電機(jī)的振蕩頻率正好是每秒100周，當(dāng)分開時，相同的發(fā)電機(jī)行為相同。當(dāng)它們連接成一個三角形時，它們的頻率就會發(fā)散，但只是在發(fā)電機(jī)完全不匹配時才會有不同的能量消耗。在這一點上，它們再次同步。這可以通過在每對發(fā)電機(jī)之間放置一盞小燈來實現(xiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)相同時，燈會閃爍，這意味著發(fā)電機(jī)不同步。

但當(dāng)發(fā)電機(jī)的耗散調(diào)整到不同水平時，閃爍就會停止，這表明發(fā)電機(jī)電壓正在同步振蕩。研究人員將這種現(xiàn)象稱為“逆向?qū)ΨQ破缺”，因為它代表了與之前已知對稱破缺現(xiàn)象相反的現(xiàn)象，而對稱破缺現(xiàn)象是超導(dǎo)、希格斯機(jī)制甚至斑馬條紋出現(xiàn)的基礎(chǔ)。在對稱破缺中，動力學(xué)方程具有在系統(tǒng)行為中沒有觀察到的對稱性，而反向?qū)ΨQ破缺涉及只有在動力學(xué)方程中避免了該對稱性時，系統(tǒng)行為才具有給定的對稱性情況。

這似乎有違直覺，但理論預(yù)測，這在許多系統(tǒng)中都是正確的，而不僅僅是機(jī)電系統(tǒng)。研究團(tuán)隊計劃探索其發(fā)現(xiàn)對社會、技術(shù)和生物系統(tǒng)的影響。特別值得一提的是，該團(tuán)隊正在積極設(shè)計一種更穩(wěn)定的電網(wǎng)，同時允許納入越來越多來自可再生能源的能源。

博科園｜研究/來自：西北大學(xué)

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0742-y

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