vendredi 8 avril 2016

La symphonie brisée de métronomes battants

Une expérience avec 30 métronomes révèle des états chimériques qui combinent les aspects de la synchronie et de désordre. Les chercheurs avaient cherché ces états pendant dix ans.
Lorsque, dans un concert, une vidéo musicale ou natation synchronisée plusieurs personnes réalisent à l'unisson, il peut être assez ennuyeux, si un ou quelques-uns d'entre eux erreur et de sortir de la ligne. L'impression générale est ruinée. Du point de vue d'un physicien ceci est tout à fait différent: Depuis dix ans, les chercheurs ont cherché des systèmes composés de plusieurs unités oscillatoires similaires dans lesquels simultanément certaines unités sont synchronisées, tandis que d'autres ne sont pas. Les scientifiques japonais avaient prédit ces derniers dans les calculs théoriques. Seulement maintenant, cependant, a une preuve expérimentale simple, été trouvé. À cette fin, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation (MPIDS) en Allemagne a développé un dispositif expérimental de 30 métronomes battants.
Lorsque dans les nuits chaudes d'été des essaims de lucioles essaient d'attirer des partenaires avec leurs signaux, certaines espèces présentent une synchronie étonnante: tous les bugs clignotent leurs impulsions lumineuses dans le même temps. D'autres processus se produisant dans les systèmes de plusieurs unités similaires peuvent également se synchroniser sur eux-mêmes - par exemple certains processus métaboliques dans des colonies de cellules de levure ou des courants électriques dans les jonctions supraconductrices. Cependant, en dehors de la synchronie et la confusion totale, un troisième état est possible: une sorte d'état mélangé avec quelques unités qui agissent de manière synchrone, mais d'autres hors de l'étape.
Les chercheurs se réfèrent à ces Etats en tant qu'Etats chimériques, faisant allusion au monstre de la mythologie grecque du même nom. La chimère unit les parties incongrues: il a la tête d'un lion, la tête d'une chèvre et la queue d'un serpent. Dans le monde des oscillations, cela signifie que la coexistence des Etats incongrus de synchronie et asynchronisme. Il y a dix ans, les chercheurs japonais livrés la preuve théorique de ces états. Depuis lors, toutefois, une confirmation expérimentale simple pour le mélange mystérieux de l'ordre et le désordre n'a pas pu être trouvée dans aucun système du monde réel. Seules les expériences, dans lequel un ordinateur contrôlé l'interaction des unités du système, tenues les espoirs de la communauté scientifique.
Un dispositif expérimental historique a inspiré la nouvelle étude
Dans la quête de ces états chimériques, des chercheurs de l'MPIDS, l'Université technique du Danemark, et l'Université de Princeton ont réalisé une percée avec un design expérimental étonnamment simple. "Il y a plus de 300 ans, le physicien hollandais Christiaan Huygens a observé que deux horloges pendules suspendus à une poutre se synchroniser le mouvement de leur pendula", le Dr Erik A. Martens du MPIDS décrit l'expérience historique qui a inspiré la nouvelle étude. «Nous nous sommes inspirés de cette expérience classique, mais nous avons pris tout à fait un peu plus loin: nous avons construit une expérience sur des balançoires, des ressorts et des métronomes», ajoute-il. 30 métronomes disponibles dans le commerce ont été placés sur deux balançoires qui étaient reliés par un ressort mécanique.
"Les calculs effectués par les collègues japonais ont indiqué que la façon dont les métronomes interagissent les uns avec les autres est décisive», explique le Dr Shashi Thutupalli du MPIDS. Les métronomes fonctionnant à des fréquences identiques et interagissent également fortement avec tous les autres métronomes ne peut atteindre l'un des deux états: soit ils ont tous lock-step et synchroniser, ou ils battre de façon incohérente. Mais un état mixte de la synchronie partielle est impossible. La même chose vaut pour les configurations où seuls métronomes voisins interagissent. «Notre objectif était d'aller au-delà de ces deux possibilités et de construire un système où métronomes éloignés quelques faiblement, mais les proches interagissent fortement", dit Thutupalli.
"Dans notre expérience, nous mettons en œuvre ce en utilisant deux différents types d'interaction", ajoute-il. Métronomes placés sur le même élan interagissent fortement par le swing se déplaçant en dessous. Métronomes sur différents balançoires, cependant, ne peuvent interagir via le ressort entre les balançoires. L'interaction via le ressort est alors le plus faible des deux.
Un dispositif expérimental historique a inspiré la nouvelle étude
La clé pour trouver les chimères insaisissables était de trouver le couplage approprié entre les balançoires. "Le ressort entre les balançoires ne doit être ni trop rigide ni trop mou", dit Martens. Lorsque la raideur du ressort est juste, les métronomes sur un tick swing à l'unisson, tandis que leurs jumeaux sur la deuxième oscillation oscillent de manière désordonnée. La chimère insaisissable vient donc à la vie. Cette symétrie brisée entre les côtés gauche et droit est confirmé par un modèle mathématique des balançoires et des métronomes en utilisant des simulations informatiques.
"Briser Cette étrange symétrie a été soigneusement testée en faisant en sorte que les pertes dues au frottement des bonnes balançoires gauche et sont exactement les mêmes", souligne Thutupalli. "Ceci est un test clé pour des chimères: veiller à ce que les petites sources d'inégalité ne font pas la configuration préfèrent une oscillation sur l'autre." Dans le cas contraire, les résultats pourraient être dus à une configuration asymétrique inexacte.
En dépit de ces difficultés expérimentales, l'expérience est étonnamment simple. « Les chercheurs de partout dans le monde ont été la recherche d'un système d'affichage de ce comportement pendant dix ans. Il est presque une petite sensation, qu'il peut être construit à partir de ces articles de tous les jours que des balançoires, des ressorts, et métronomes», dit Martens. Un autre ingrédient essentiel est des bouchons d'oreille. "Avec le temps, le tic-tac constant peut être vraiment déroutant", le Dr Antoine Fourrière du MPDS se souvient avec un sourire.
"Bien qu'au début il peut sembler que métronomes ont peu à voir avec le monde réel, le système capture des éléments de base, tels que l'inertie et le frottement, commun à de nombreux systèmes naturels», explique le chef de groupe de recherche Dr. Oskar Hallatschek du MPIDS. "Par conséquent chimères peuvent être censées se produire aussi dans d'autres systèmes réels, par exemple dans l'électronique, la chimie ou opto-mécanique», explique Martens.