想象一下夏日傍晚夕阳西下的古老森林。当最后一缕阳光消失在地平线下时，一道微小的闪光映入眼帘你转身，屏住呼吸;它再次闪烁，悬停在落叶上方2英尺处。穿过昏暗的空地，一个转瞬即逝的回应。然后是一只，又一只，几分钟之内，闪烁的萤火虫遍布安静的树林。
起初他们似乎杂乱无章。但很快就会出现几对协调一致的小动物，它们以同样的速度每秒闪烁两次。成对组合成三重奏、五重奏，突然间整个森林都以一种共同的、闪闪发光的节拍跳动。群已达到同步。
萤火虫会众是庞大的快速约会活动。闪光传达了广告男性和选择性女性之间的求爱对话。成千上万的萤火虫在相互作用中竞争与合作的相互作用形成了集体光模式，闪烁类似于鸟群一起俯冲的低语。一些萤火虫闪光同步的神秘现象一直困扰着科学家一个多世纪。
同步在整个宇宙中无处不在，从电子云到生物周期和行星轨道。但是同步是一个复杂的概念，有很多分支。它包含各种形状和形式，通常由数学揭示，然后在自然界中探索。
以萤火虫群为例。稍等片刻，在明亮的合唱中，出现了其他东西：一些不和谐的闪光灯分开并继续另类。他们以同样的速度眨眼，但与循规蹈矩的同龄人相比，他们坚决拖延。这可能是数学方程式预测但从未在自然界中见过的现象的证据吗?
同步，有一个转折
二十年前，在深入研究构成同步框架的方程式时，物理学家DorjsurenBattogtokh和YoshikiKuramoto注意到了一些奇怪的事情。在特定情况下，他们的数学解决方案将描述一个矛盾的整体，显示出广泛的同步性，其中散布着一些不稳定的、自由浮动的成分。
他们的模型依赖于一组称为振荡器的抽象时钟，这些时钟倾向于与它们的邻居保持一致。非均匀状态令人惊讶，因为方程假设所有振荡器都完全相同并且与其他振荡器相似地连接。
基本对称性的自发破缺通常是困扰物理学家的事情。我们珍视这样一种想法，即系统结构中的某些秩序应该转化为大规模动态中的类似秩序。如果振荡器是不可区分的，那么它们应该要么都同步，要么都保持混乱——不表现出差异化的行为。
它激起了许多人的好奇心，包括数学家丹尼尔艾布拉姆斯和史蒂文斯特罗加茨，他们将这种现象命名为“嵌合体”。在希腊神话中，奇美拉是一种混合怪物，由不协调的动物的部分组成——这个名字很适合描述不匹配的振荡器簇的大杂烩。
起初，嵌合体在数学模型中很少见，需要一组非常具体的参数才能实现。随着时间的推移，理论家们学会了在哪里侦察，开始在这些模型的许多变体中发现它们，将它们称为“呼吸”、“扭曲”、“多头”和其他令人毛骨悚然的绰号。尽管如此，这些理论上的嵌合体在物理世界中是否也可能存在仍然是个谜——或者仅仅是一个数学神话。
Congaree国家公园的萤火虫齐声闪烁。学分：麦克斯通
十年后，在物理实验室进行的一些巧妙实验产生了难以捉摸的嵌合体。它们涉及复杂振荡器之间经过微调的相互作用网络。在证明设计相干和不相干共存是一项微妙但可能的冒险时，他们没有回答更深层次的问题：数学嵌合体是否也存在于自然世界中?
事实证明，需要一只发光的小昆虫才能照亮它们。
萤火虫闪烁的合唱中的嵌合体
作为科罗拉多大学Peleg实验室的博士后，我致力于破译萤火虫群的内部运作。我们的方法建立在现代物理学中一个鲜为人知的利基市场的基础上：动物集体行为。简而言之，总体目标是揭示和描述动物群体动态中自发的、无监督的大规模模式。然后，我们研究这些自组织模式是如何从个人互动中出现的。
我们的最新研究发表在ScienceAdvances上。
在知识渊博的萤火虫专家的建议下，我和我的同事驱车穿越全国，前往南卡罗来纳州的Congaree国家公园，去追逐萤火虫，这是北美为数不多的同步萤火虫之一。我们在火炬松之间的一片小森林空地上架起了相机。在第一道闪烁穿过暮色后不久，我们观察到一种非常有节奏、精确的同步，显然与方程式预测的一样干净。
这是一次迷人的经历，但也让我深思。我担心这个显示过于有序，无法让我们从中推断出任何信息。物理学家通过观察事物的自然波动来了解事物。在这里，似乎几乎没有什么变化需要调查。
同步性在数据中以闪烁次数随时间变化的图表中尖峰的形式表现出来。这些峰值表明大多数闪光发生在同一时刻。当他们不这样做时，痕迹看起来不规则，就像涂鸦一样。在我们的情节中，我首先看到的只是完美同步的完美梳状模式。
原来奇美拉隐藏在众目睽睽之下，但我不得不沿着数据进一步漫游才能遇到它。在那里，在轻合唱的峰值之间，一些较短的峰值表明较小的派系在它们之间同步，但与主要群体不同步。我称他们为“人物”。这些不协调的角色与同步合唱一起构成了嵌合体。
就像在古希腊剧院中一样，合唱团设定背景，而角色则创造动作。这两个群体交织在一起，漫游在同一个舞台上，正如我们从蜂群的三维重建中揭示的那样。尽管他们的节奏有所不同，但他们的空间动态似乎无法区分。人物似乎没有聚集或跟随彼此。
这种出乎意料的混合自组织提出了更多问题。群体中的角色是否有意识地决定脱离，也许是为了释放他们的解放信号?还是他们自发地发现自己陷入了另类?数学见解能否启发发光甲虫之间的社会动态?
与数学方程式中的抽象振荡器不同，萤火虫是认知生物。它们整合了复杂的感官信息，并通过决策管道对其进行处理。他们也在不断地运动，与同龄人形成和打破视觉联系。简化的数学模型还不能捕捉到这些错综复杂的问题。
在安静的树林中，同步闪光和它们不和谐的对应物可能已经照亮了数学家和物理学家追逐的新嵌合体宝库。
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