Warum blinken Glühwürmchen synchron?

In der freien Natur blinken Glühwürmchen immer spontan im Gleichklang. Wenn man ein Metronom auf ein Stück grüne Pappe legt, wird der Rhythmus mehrerer Metronome nach einer gewissen Zeit genau gleich. Und in einem Theater wird die Häufigkeit des Klatschens im Publikum spontan und konstant, ohne dass jemand es dazu auffordert. Diese scheinbar häufigen Synchronisationsphänomene,

Wissenschaftler haben sie mehr als dreihundert Jahre lang untersucht, und selbst jetzt ist es ihnen nicht gelungen, den Grund für ihre Synchronisierung vollständig zu entschlüsseln.

Im Jahr 1656 erfand der berühmte niederländische Physiker Christian Huygens die erste funktionierende Pendeluhr der Welt, um Seeleuten dabei zu helfen, ihre Position auf der Erde zu bestimmen. Die Gangabweichung der Uhr von fünfzehn Minuten pro Tag wurde auf zehn bis fünfzehn Sekunden reduziert.

Die damaligen Seeleute beherrschten bereits die Methode, den Winkel zwischen Sonne und Meeresspiegel zur Bestimmung des Breitengrads des Schiffes zu nutzen. Die Genauigkeit wurde durch die Zeitdifferenz zwischen Abfahrtsort und Ortszeit bestimmt. Eine Zeitdifferenz von einer Stunde entspricht etwa einer Änderung des Breitengrads um fünfzehn Grad.

Im Februar 1665 führte der zu Hause kranke Huygens ein Experiment durch, bei dem er einen Holzbalken zwischen zwei Stühle legte.

Anschließend wurden zwei Pendeluhren an die Holzbalken gehängt, um das Schwingen zweier in der Kabine hängender Uhren während der Reise zu simulieren. Er starrte stundenlang auf das Pendel. Dann stellte er überrascht fest, dass die beiden Pendel, unabhängig von ihrer Ausgangsposition, nach etwa dreißig Minuten immer mit der gleichen Frequenz schwangen und ihre Phasen sich immer in entgegengesetzten Positionen befanden.

Huygens dachte zunächst, dass diese seltsame Induktion des Pendels durch den Luftstrom zwischen den Pendeln verursacht werden müsse, und platzierte daher ein großes Brett zwischen den Pendeln, um die Ausbreitung des Luftstroms zu verhindern. Aber nach dreißig Minuten waren die Pendel wieder synchron, also trennte er die beiden Uhren vom Balken und testete sie erneut. Diesmal ging ihre Zeitsynchronisierung verloren, aber als er sie wieder ins Holz steckte, war die Synchronisation wiederhergestellt.

Huygens schrieb einen Brief an die Royal Society of London über das beobachtete Synchronisationsphänomen, der damals jedoch keine große Aufmerksamkeit erregte.

Huygens war der Erste, der dieses Phänomen der spontanen Synchronisation bei unbelebten Objekten beobachtete. Obwohl er das Phänomen qualitativ beschrieb,

Aber erst 2015 fanden Wissenschaftler heraus, warum die Pendel synchron waren. Professor Hank Niedermejer von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden ist durch numerische Simulation und theoretische Analyse zu dem Schluss gekommen, dass der Grund für die Synchronisierung der Pendel darin liegt, dass das Ticken der Pendel den Tisch zum Vibrieren bringt, wodurch ein Energieaustausch zwischen den beiden Pendeln stattfindet und eine Synchronisierung erreicht wird.

Nachts blinken Glühwürmchen synchron, wobei jedes seine eigene, spezifische Frequenz hat.

Dies liegt daran, dass ihre gegenseitige Kopplung so stark ist, dass Hunderte oder sogar Tausende von ihnen gleichzeitig aufblitzen können. Wissenschaftler haben eine großartige Simulation durchgeführt. In diesem Modell wird ein Glühwürmchen nur von seinen Nachbarn beeinflusst; Wenn es einen Blitz in der Nähe sieht, schiebt es seinen eigenen Blitz ein wenig nach vorne.

Nach einer Weile geschah etwas Magisches. Auch wenn die Interaktionen klein und eng sind, blinken mit der Zeit fast alle Glühwürmchen im Gleichklang, und das Gleiche gilt für den Applaus im Theater.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass alles im Universum zur Unordnung neigt und dass in komplexen Systemen Unordnung die Norm ist.

Allerdings nehmen diese alltäglichen Erscheinungen allmählich eine Ordnung an und sind nicht mehr von der Tendenz zur Unordnung betroffen. Derzeit ist die Untersuchung des Synchronisationsverhaltens in verschiedenen komplexen Systemen in der Praxis zu einem der wichtigsten Themen geworden, das in verschiedenen Disziplinen von gemeinsamem Interesse ist.