Metronomer marcherer kun halvt i takt i nyt eksperiment
Når man sætter metronomer i gang på en gynge, organiserer de sig selv, så de begynder at svinge i takt. Men et spidsfindigt eksperiment viser, at metronomerne også kan opdele sig i grupper, så kun halvdelen af dem finder takten.

I eksperimentet blev 30 metronomer sat tilfældigt i gang. Metronomerne var fordelt på to gynger forbundet med to fjedre. (Foto: Erik Andreas Martens)

Forestillingen er slut, og bifaldet brager løs fra det tilfredse publikum. Efter få sekunder klapper alle i samme takt, mens skuespillerne bukker og nejer.

Ikke kun mennesker finder spontant takten. I naturen findes der mange eksempler på fænomenet. Vores hjerte ville ikke fungere, hvis de mange hjerteceller ikke kunne finde ud af at slå i takt, og i troperne kan man være heldig at få øje på sværme af ildfluer, der blinker i takt.

Hvis man sætter gang i et antal metronomer, der står på et fast underlag, vil de naturligvis ikke pludselig begynde at gå i takt. Det vil de til gengæld, hvis man stiller dem på en gynge eller en plade, der kan bevæge sig frem og tilbage.

»Metronomerne bliver vugget ind i en synkron rytme,« fortæller Erik Andreas Martens, der nu er postdoc på Danmarks Tekniske Universitets Institut for Akvatiske Ressourcer (DTU Aqua). Han har været med til at designe og udføre et eksperiment, der viser en helt ny side af synkroniseringsfænomenet.

Forskerne udstyrede hver metronom med en plet, der var selvlysende i ultraviolet lys. På den måde var det nemt at se, om metronomerne svingede i takt eller ej. (Video: Erik Andreas Martens)

Kimære-tilstande er i takt og utakt

Sagen er den, at det ikke nødvendigvis er enten-eller for de identiske metronomer. De kan ikke kun være i takt eller i utakt, for der findes en tredje mulighed. Systemet kan ende med at have en synkroniseret del og en asynkron del - en såkaldt kimære-tilstand.

Det har matematikerne vidst i et årti, men det er først nu, at fænomenet er blevet demonstreret i eksperimentet på Max Planck-instituttet for dynamik og selvorganisering i Tyskland.

»Vi har sat metronomer på to gynger, der er forbundet med fjedre, der kobler de to systemer. På den måde får vi kimære-tilstanden,« siger Erik Andreas Martens.

30 metronomerne sættes i sving

Sådan så det eksperimentelle setup af metronomerne ud. Kun på den ene gynge kom metronomerne til at svinge i takt. (Foto: Erik Andreas Martens)

På den ene gynge begynder alle 15 metronomer hurtigt at svinge i takt, men det gør de ikke på den anden, hvor de aldrig bliver synkroniseret.

Det er aldrig set før, at forbundne identiske enheder på den måde kan organisere sig selv i en ordnet og en uordnet del. Eksperimentet er beskrevet i en videnskabelig artikel i tidsskriftet PNAS.

Nu er spørgsmålet så, hvad resultatet kan bruges til.

»Vi har kun brugt masser, fjedre og penduler, altså meget elementære byggedele. Og de har analoger i elektroniske og kemiske netværk. Så det burde da være sådan, at andre systemer også kan have disse kimære-tilstande,« siger Erik Andreas Martens.

Matematikken er kommet ned på Jorden

Han nævner vekselstrømmen i elnettet som et eksempel på, at det er vigtigt, at ting svinger i takt. En pludselig opstået utakt i elnettet kan medføre strømafbrydelser, så det gælder om at designe elsystemet sådan, at det er modstandsdygtigt over for kimære-tilstande.

»Man kan også forestille sig teknologisk anvendelser, hvor man bygger mikromekaniske oscillatorer og kun vil have den ene halvdel af dem til at svinge i takt - men det står endnu ikke helt klart, hvad vores forskning kan føre til. Det vil fremtiden vise. Men nu har vi i hvert fald taget de enormt abstrakte matematiske modeller og forbundet dem til den virkelige verden ved at udføre et eksperiment.«

Denne video har intet med føromtalte forsøg at gøre, men forestiller 32 metronomer, der begynder at svinge i takt. (Video: IkeguchiLab)

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.