Steven Strogatz over synchronisatie

Ik probeerde me te bedenken, hoe synchronisatie verbonden is met geluk en het kwam in me op dat we om de één of andere reden plezier hebben in het synchroniseren. We houden ervan om samen te dansen, samen te zingen. En daarom, als jullie hierin mee willen gaan zou ik graag van jullie hulp gebruik maken met een eerste experiment vandaag. Het experiment is -- het viel me op trouwens, dat toen jullie applaudisseerden, jullie dit deden op een typische Noord-Amerikaanse manier. ik bedoel dat jullie rommelig en onsamenhangend waren. Jullie waren niet georganiseerd. Het kwam niet eens in jullie op om tegelijkertijd te klappen. Denken jullie dat jullie het kunnen? Ik zou graag willen zien of dit publiek zou -- nee, voor zover ik weet hebben jullie niet geoefend -- gaat het jullie lukken om synchroon te klappen?

(Geklap)

Wow! Nou dat is wat we noemen spontaan gedrag.

(Gelach)

Zo, dat had ik niet verwacht, maar -- ik bedoel, ik verwachte wel dat jullie konden synchroniseren. Het kwam niet bij me op dat jullie de frequentie zouden opvoeren. Het is interessant.

Gelach

Dus, wat maken we hiervan? Ten eerste, we weten dat jullie allemaal brilliant zijn. Dit is een zaal vol met intelligente mensen, heel erg gevoelig. Er zijn een paar getrainde musici bij. Is dat wat er voor zorgde dat jullie konden synchroniseren? Om de vraag wat serieuzer te stellen, laten we onszelf afvragen wat de minimum voorwaarden zijn voor wat jullie net deden, voor spontane synchronisatie. Moet je, bijvoorbeeld, zo slim zijn als jullie zijn? Heb je eigenlijk wel hersens nodig om te kunnen synchroniseren? Moet je levend zijn? Ik bedoel, dat is een vreemde gedachte toch? Niet levende objecten die spontaan synchroniseren. Het is echt. In feite, zal ik vandaag uit proberen te leggen dat synchronisatie misschien een van, als niet een van de meeste, misschien wel de meest sterke kracht in de hele natuur is. Het strekt zich uit van de sub-atomische schaal tot de verste uiteinden van de kosmos. Het is een sterke neiging naar orde in de natuur, die ingaat tegen wat we allemaal geleerd hebben over entropie. Ik bedoel, ik zeg niet dat de wet van entropie niet klopt -- dat is niet zo. Maar er is een tegengestelde kracht in het universum -- de neiging naar een spontane ordening. En dat is dus ons thema.

Laten we, om er in te komen, beginnen met wat misschien wel gelijk bij jullie opkwam toen jullie hoorden dat we het over synchronisatie in de natuur hebben, het schitterende voorbeeld van vogels die samenscholen, of vissen die zwemmen in georganiseerde scholen. Dit zijn dus niet bijzonder intelligente dieren, maar toch, zoals we zullen zien, vertonen zij prachtige balletten. Dit komt van de BBC show Roofdieren, en waar we nu naar aan het kijken zijn voorbeelden van synchronisatie die te maken hebben met verdediging. Wanneer je klein en kwetsbaar bent, zoals deze spreeuwen, of zoals de vissen, helpt het om samen te scholen om roofdieren te onwijken, of in de war te brengen. Ik zal even niks zeggen, omdat dit zo mooi is. Lange tijd, waren biologen verbijsterd door dit gedrag, ze vroegen zich af hoe dit toch mogelijk was. We zijn er zo gewend aan dat choreografie ervoor zorgt dat er synchronie ontstaat. Deze dieren worden niet gechoreografeerd, Ze choreograferen zichzelf.

En nu pas begint de wetenschap te begrijpen hoe het in elkaar steekt. Ik zal jullie een computermodel laten zien dat gemaakt is door Ian Kuzan, een onderzoeker in Oxford., dat laat zien hoe samenscholing werkt. Er zijn maar 3 simpele regels. Ten eerste, ieder individu is zich alleen bewust van zijn naaste buren Ten tweede, ieder individu heeft een neiging om een rij te vormen. Ten derde, ze worden allemaal tot elkaar aangetrokken, maar ze proberen toch een kleine afstand van elkaar te houden. En wanneer je deze 3 regels inbouwt, zie je automatisch samenscholing ontstaan die erg veel lijkt op scholen vis of zwermen vogels. Vissen blijven dicht bij elkaar, ongeveer een lichaamslengte van elkaar af. Vogels proberen ongeveer drie of vier lichaamslengtes van elkaar af te blijven. Maar op die verschillen na, zijn de regels hetzelfde voor beide.

Dit verandert zodra een roofdier op het toneel komt. Er is een vierde regel: wanneer er een roofdier aankomt, maak je dat je wegkomt. Hier in dit model zie je het roofdier aanvallen. De prooien schieten allemaal een willekeurige kant op, en de regel van de aantrekkings brengt ze allemaal weer samen, er is een dus een aanhoudende splitsing en samenscholing. En dat zie je ook in de natuur. Hou in gedachte dat, alhoewel het lijkt of ieder individu probeert samen te werken, ze eigenlijk een soort egoistisch Darwiniaans gedrag vertonen. Elk individu schiet willekeurig alle kanten op om zijn schubben, of zijn veren te redden. Dat komt uit het verlangen om zichzelf te redden, elk dier volgt deze regels, en dat leid er toe dat het voor hen allemaal veilig is. Alhoewel het er uit ziet alsof ze als groep denken, doen ze dit niet. Je zou je kunnen afvragen wat eigenlijk de voordelen zijn van samenscholing, dan kan je er een paar bedenken.

Ik zeg, in een zwerm, zijn je kansen om de ongelukkige te zijn veel lager dan wanneer je in een kleine groep zit. Er zijn vele ogen die gevaar kunnen opmerken. En je zult zien in het voorbeeld met de spreeuwen, dat, wanneer deze slechtvalk op het punt staat ze aan te vallen, dat golven van paniek zich voortplanten, en berichten over lange afstand sturen Je zult het zien -- Eens kijken, het komt dacht ik aan het einde -- of misschien niet. Informatie kan over meer dan een halve kilometer worden verstuurd in een hele korte tijd door dit mechanisme. Ja, het gaat nu gebeuren. Kijk of je die golven door de zwerm kan zien gaan. Het is prachtig. De vogels zijn, denken we te begrijpen van dat computermodel, wat er gebeurt. Zoals ik al zei zijn er gewoon 3 simpele regels, plus de regel om uit te kijken voor roofdieren.

Er lijkt eigenlijk niks mystieks aan te zijn. We begrijpen het echter nog niet helemaal op een wiskundige niveau. Ik ben een wiskundige. We zouden het graag beter willen begrijpen. Ik bedoel, ik liet jullie om computermodel zien, maar een computer begrijpt geen dingen. Een computer is, op een bepaalde manier, gewoon ook een experiment. We zouden graag een dieper inzicht hebben in hoe dit werkt en om te begrijpen waar deze organisatie precies vandaan komt. Hoe zorgen de regels er voor dat dit patroon onstaat?

Er is één geval dat we beter beginnen te begrijpen, en het is het geval van vuurvliegjes. Wanneer je vuurvliegjes ziet in Noord-Amerika, zoals zoveel Noord-Amerikaanse dingen, hebben ze de neiging onafhankelijk te zijn. Ze negeren elkaar. Ze doen allemaal hun eigen ding, ze flitsen aan en uit, en geven geen aandacht aan hun omgeving. Maar in Zuidoost-Azië -- plaatsen zoals Thailand of Maleisië of Borneo -- Is er een prachtig coöperatief gedrag, dat voorkomt bij mannelijke vuurvliegjes. Je kan het iedere nacht zien bij de rivierbeddingen. De bomen, mangrove bomen, zitten vol met vuurvliegjes die communiceren met licht. Specifieker, zijn het mannelijke vuurvliegjes die allemaal op perfect hetzelfde moment flitsen, in perfecte synchronie, om een bericht naar de vrouwtjes te versterken. En het bericht, zoals je je wel kunt voorstellen, is "Kom hier. Heb sex met me."

(Muziek)

Zometeen ga ik jullie een slow motion fragment laten zien van één vuurvliegje zodat je een idee kunt krijgen. Dit is één frame. Aan, en dan uit -- één dertigste van een seconde, daar. En kijk nu naar deze hele rivierbedding, en kijk hoe precies de synchronie is. Aan, nog meer aan en dan uit. Het gecombineerde licht van al deze kevers -- het zijn eigenlijk kleine kevertjes -- is zo sterk dat vissers op zee ze kunnen gebruiken als navigatiebakens om hun weg terug te vinden naar hun thuisrivieren. Het is verbijsterend. Voor een lange tijd werd het niet geloofd, toen de eerste Westerse reizigers, zoals Sir Francis Drake, naar Thailand gingen en terugkwamen met verhalen over dit ongelooflijke spektakel. Niemand geloofde ze. We zien niets zoals dit in Europa of in het Westen. En voor een lange tijd, zelfs nadat het gedocumenteerd was, dacht men dat het één of andere optische illusie was. Wetenschappelijke artikelen werden werden gepubliceerd waarin stond dat trillende oogleden het verklaarden, of, je weet wel, de neiging van een mens om patronen te zien die er niet zijn. Maar ik hoop dat je jezelf nu hebt overtuigd, met deze nachtelijke video, dat ze echt heel goed gesynchroniseerd waren.

Ok, het probleem is nu, moeten we levend zijn om dit soort spontane orde te zien. en ik heb al laten doorschemeren dat het antwoord nee is. Nou, het is zo dat je niet een heel dier hoeft te zijn. Je hoeft zelfs maar één cel te zijn. Zoals, bijvoorbeeld de pacemakercellen in je hart op dit moment. Ze zorgen dat je blijft leven. Iedere hartslag is afhankelijk van deze cruciale regio, de sinus-knoop, die ongeveer 10.000 onafhankelijke cellen heeft die allemaal bliepen, een elektronisch ritme hebben -- en hun voltage verlagen en verhogen -- om een signaal te sturen naar de hartkamers om te pompen. Je pacemaker is niet maar één cel. Het is een democratie van 10.000 cellen die allemaal tegelijk moeten vuren om ervoor te zorgen dat de pacemaker correct werkt.

Ik wil je niet het idee geven dat synchronisatie altijd een goed idee is. Wanneer je epilepsie hebt, is er een groep van miljarden hersencellen, of in ieder geval miljoenen, die ontladen in een onbedwingbare eenheid. Dus deze neiging naar orde is niet altijd een goed iets. Je hoeft niet levend te zijn. Je hoeft niet eens één cel te zijn. Als je kijkt naar hoe, bijvoorbeeld, lasers werken, zou dat een geval zijn van atoomsynchronie. In een laser, wat laserlicht zo verschillend maakt van het licht boven mijn hoofd hier is dat dit licht onsamenhangend is -- veel verschillende kleuren en verschillende frequenties, een beetje zoals de manier waarop jullie eerst klapten -- maar als jullie een laser waren, zou het een ritmisch applaus zijn. Het zouden allemaal atomen zijn die pulseren in eenheid, die licht uitzenden van één kleur, één frequentie.

Nu komt het risicovolle gedeelte van mijn verhaal, welke inhoudt te demonstreren dat niet levende dingen kunnen synchroniseren. Houd je adem in voor me. Wat ik hier heb zijn twee lege waterflesjes. Ik ben niet Keith Barry die een goocheltruc doet. Dit is een kluns die aan het spelen is met waterflesjes. Ik heb hier een paar metronomen. Kan je dit horen? Ok, dus, ik heb een metronoom, en het is 's werelds kleinste metronoom, de -- ach ja, ik mag niet adverteren. In ieder geval, dit is 's werelds kleinste metronoom. Ik heb hem op de snelste stand gezet, en ik ga er nu nog één pakken die hetzelfde staat ingesteld. We kunnen dit eerst proberen. Als ik je ze gewoon samen op de tafel plaats, is er geen reden voor ze om te synchroniseren, en dat zullen ze waarschijnlijk niet doen.

Misschien kunnen jullie beter naar ze luisteren. Ik ga hier staan. Wat ik hoop is dat ze ongelijk gaan lopen, omdat hun frequenties niet totaal hetzelfde zijn. Zie je? Dat deden ze. Ze waren een tijdje synchroon, maar toen gingen ze ongelijk lopen. En de reden is dat ze niet kunnen communiceren. Nu kun je denken dat dat een bizar idee is. Hoe kunnen metronomen communiceren? Nou, ze kunnen communiceren door mechanische krachten. Dus ga ik ze een kans geven om dat te doen. Ik wil deze ook een beetje opwinden. Hoe kunnen ze communiceren? Ik ga ze op een beweegbaar platform zetten, wat de "Afstudeergids van Cornell." is. Okay? Hier komt het. Laten we eens kijken of we dit werkend kunnen krijgen. Mijn vrouw wees me erop dat het beter zal werken als ik ze beide op hetzelfde moment erop plaats, want anders valt het hele ding om. Oké. Daar gaan we. Eens kijken. Ok, ik ga niet proberen vals te spelen -- ik zal ze uit de pas starten. Nee, het is zelfs moeilijk om dat te doen.

(Applaus)

Ok. Dus voordat één van de twee ongelijk gaat lopen, zet ik ze hier wel even neer.

(Gelach) Dat lijkt misschien een beetje eigenaardig, maar de doordringendheid van de neiging naar spontane orde heeft soms onverwachte gevolgen. Een duidelijk geval hiervan, is iets dat gebeurd is in Londen in het jaar 2000. De Millenniumbrug had de trots van Londen moeten zijn -- een prachtige nieuwe loopbrug die over de Thames liep, de eerste rivierbrug in meer dan 100 jaar in Londen. Er was grote competitie voor het ontwerp van deze brug, en het winnende voorstel was ingediend door een ongewoon team -- eigenlijk in de TED-geest, -- van een architect -- misschien wel de beste architect in het Verenigde Koninkrijk, Lord Norman Foster -- die samenwerkte met een kunstenaar, een beeldhouwer, Sir Anthony Caro, en een ingenieursbureau, Ove Arup. En samen dienden zij een ontwerp in wat gebaseerd was op Lord Foster's visie, welke was -- hij herinnerde zich dat hij als kind Flash Gordenstripboeken gelezen had, en hij zei dat wanneer Flash Gorden bij een afgrond kwam, hij zou schieten met wat tegenwoordig een soort lichtzwaard zou zijn.

Hij zou met zijn lichtzwaard over de afgrond schieten, en een lemmet van licht maken en dan over dit lemmet van licht rennen. Hij zei, "Dat is de visie die ik aan Londen wil geven. Ik wil een lemmet van licht over de Theems" Dus bouwden zij het lemmet van licht, en het is een erg dun lint van staal, de werelds -- waarschijnlijk de platste en dunste hangbrug die er is, met kabels die buiten aan de zijkant hangen. Je bent gewend aan kabelbruggen met grote slaphangende kabels bovenaan. Deze kabels waren aan de zijkant van de brug, zoals wanneer je een rubberen band pakt en deze uitstrekt over de Theems -- dat is wat deze brug omhoog houdt. Nu, iedereen was erg opgewonden om hem te proberen. Op de openingsdag, kwamen duizenden Londenaren, en er gebeurde iets. En binnen twee dagen was de brug gesloten voor het publiek. Dus wil ik jullie eerst wat interviews laten zien met mensen die op de brug waren op de openingsdag, ze zullen beschrijven wat er gebeurde.

Man: Hij begon echt zijwaarts te bewegen en lichtjes op en neer, een beetje zoals op een boot zijn.

Vrouw: Ja, het voelde erg onstabiel, en het waaide erg hard, en ik herinner me een heleboel vlaggen aan de zijkanten, dus je kon duidelijk -- er was iets aan de hand aan de zijkanten, zo voelde het, misschien.

Verslaggever: Niet naar boven en naar beneden? Jongen: Nee.

Verslaggever: En niet voorwaarts en achterwaarts? Jongen: Nee.

Verslaggever: Alleen zijwaarts. En hoeveel was het aan het bewegen, denk je?

Jongen: Het was ongeveer --

Verslaggever: Ik bedoel, zoveel, of zoveel?

Jongen: Ongeveer de tweede.

Verslaggever: Zoveel? Jongen: Ja.

Man: Het was tenminste 15, 15 tot 20 centimeter, dacht ik toch.

Verslaggever: Ok, dus, in ieder geval zoveel? Man: Ja, zeker.

Vrouw: Ik weet nog dat ik eraf wou.

Verslaggever: Oh, echt waar? Vrouw: Ja. Het voelde raar.

Verslaggever: Dus het was genoeg om bang van te worden? Vrouw: Ja, maar ik dacht dat het aan mij lag.

Aha! Dus, vertel me eens waarom je dit moest doen?

Jongen: We moesten dit doen, om ons evenwicht te bewaren, want wanneer je niet je evenwicht bewaarde, dan zou je gewoon ongeveer zo'n 45 graden naar links of rechts vallen. Verslaggever: Dus, laat me gewoon zien hoe je normaal loopt. Ok. En laat me dan nu zien hoe je liep wanneer de brug begon te bewegen. Ok. Dus je moest echt je voeten zijwaarts duwen en -- oh, en kleine stapjes?

Man: Dat klopt. En het leek mij logisch dat het waarschijnlijk door het aantal mensen op de brug kwam.

Verslaggever: Liepen ze express in de maat, of iets als dat?

Man: Nee, ze moesten gewoon toegeven aan de beweging van de brug.

Steven Strogatz: Ok, dus dat geeft je een idee van wat er gebeurde. Denk aan de brug als zoiets als dit platform. En denk dat de mensen metronomen zijn. Nu, misschien ben je niet gewend om jezelf met een metronoom te vergelijken. maar eigenlijk, we lopen wel als -- Ik bedoel, we slingeren heen en weer als we lopen. En al helemaal wanneer we aan het lopen zijn als die mensen deden, toch? Ze lieten allemaal een soort rare schaatsbeweging zien die ze ontwikkelden toen de brug begon te bewegen. En daarom wil ik jullie nu de video van de brug laten zien. Maar ook, na de brug op de openingsdag, zullen jullie een interessante clip zien van werk dat gedaan is door een brugingenieur op Cambridge, Allan McRobie, Die ontdekte wat er gebeurde op de brug, en die een brugsimulator bouwde om uit te leggen wat het probleem was. Het was een soort van onbedoelde positieve feedback loop tussen de manier waarop mensen lopen en de manier waarop de brug begon te bewegen waar ingenieurs niks vanaf wisten. Eigenlijk, ik denk de eerste persoon die je zult zien is de jonge ingenieur die de leiding had over dit project. Ok.

(Video): Verslaggever: Is er iemand gewond geraakt? Ingenieur: Nee.

Verslaggever: Ok. Dus het was vrij klein -- Ingenieur: Ja. Verslaggever: -- maar echt?

Ingenieur: Absoluut. Verslaggever: Jij dacht, "Oh, jee."

Ingenieur: Ik voelde dat ik er teleurgesteld over was.

We hadden veel tijd gestoken in het ontwerpen van de brug, en we hadden hem geanalyseerd, we hadden het aan de normen getest -- aan zwaardere belastingen dan de normen -- en nu deed hij iets waar we niks vanaf wisten. Verslaggever: Iets wat jullie niet verwachten. Ingenieur: Inderdaad.

Verteller: De meest dramatische en schokkende beelden laten hele groepen van de menigte -- honderden mensen -- blijkbaar heen en weer gaan, tegelijkertijd, niet alleen met elkaar, maar met de brug. Deze gesynchroniseerde beweging lijkt de brug te doen bewegen. Maar hoe kon de mensenmassa gesynchroniseerd worden? Was er iets speciaals aan de Millenniumbrug dat dit effect veroorzaakte? Dit zou de focus van het onderzoek worden.

Verslaggever: Ok, de gesimuleerde brug is eindelijk klaar, en ik kan hem laten wiebelen. Dus, Allan, dit is allemaal jouw schuld, toch? Allan McRobie: Ja.

Verslaggever: Jij hebt dit ontwerpen, ja, deze gesimuleerde brug, en jij denkt dat deze brug zich gedraagt als de echte brug?

AM: Het bevat een groot deel van de fysica, ja.

Ok, dus als we erop gaan staan, kunnen we de brug laten wiebelen toch?

Allan McRobie is een brugingenieur van Cambridge die naar mij geschreven heeft, en die aangaf dat een brugsimulator waarschijnlijk zou bewegen op dezelfde manier als de echte brug -- wanneer we de brug aan kabels van precies de goede lengte zouden hangen.

AM: Deze is maar een paar ton, dus het is vrij makkelijk om hem te laten bewegen. Je hoeft alleen maar te lopen. Verslaggever: Nou, hij beweegt nu zeker.

AM: Het hoeft niet een echte [onduidelijk]. Gewoon lopen, Hij begint vanzelf.

Verslaggever: Het is eigenlijk best moeilijk om te lopen. Je moet oppassen waar je je voeten neerzet, toch, omdat wanneer je het verkeerd doet, hij je gewoon omgooit.

AM: Het heeft in ieder geval invloed op je manier van lopen. Je kan er niet normaal op lopen.

Verslaggever: Nee. Als je probeert de ene voet voor de andere te zetten, worden je voeten onder je weggeduwd. AM: Ja.

Verslaggever: Dus moet je voeten zijwaarts neerzetten. Dus nu al, laat de simulator me lopen op precies dezelfde manier als onze getuigen loopten op de echte brug.

AM: .. schaatsbeweging. Er is niet zoveel van dit soort slangenmanier van lopen.

Verslaggever: Voor een wat overtuigender experiment, wilde ik mijn eigen openingsdagmenigte, het geluidsteam. Hun instructies: gewoon normaal lopen. Het is echt intrigerend, omdat niet één van deze mensen het probeert aan te drijven. Ze hebben allemaal moeite om normaal te lopen. En de enige manier waarop je comfortabel kunt lopen is door in het ritme te komen. Maar dan, natuurlijk, drijft iedereen de brug aan. Je kan er niks aan doen. Je wordt echt gedwongen door de beweging van de brug om mee te doen, en daardoor gaat de brug weer harder bewegen.

SS: Ok, dus, na dit bericht van het ministerie van rare loopjes, kan ik beter stoppen. Ik zie dat ik al over de tijd zit. Maar ik hoop dat jullie allemaal naar buiten gaan en de wereld op een andere manier zien, en alle ongelooflijke synchronie om ons heen zien. Dank jullie wel.

(Applaus)