要汇聚就必须发散

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你们已经认识很久了。在餐厅里,开胃菜要等很久才会来。你们面对面坐着,两个人都盯着空空的盘子。你想打破沉默,但每一个可能出现在你脑海里的话题似乎都过时了。没什么可说的了。

你以前有过这种感觉吗?和你在乎的人"不同步"吗?这可能不是由于你们的差异造成的——事实上,这可能是因为你们俩变得太相似了。物理学家发现,与普遍的观念相反,多样性对于同步是至关重要的。了解同步背后的复杂机制,可能有助于解决许多挑战,从防止停电到设计下一代自动驾驶汽车。

同步是一种集体的、连贯的行为,从许多独立个体的交互中产生。例如,给悬挂在天花板上的两个钟摆足够的时间,它们就会神秘地同步摆动。没有人试图控制他们。没有外力驱使它们。两个完全自主的钟摆如何能自发地同意它们的运动?伟大的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)在17世纪60年代发现,这种“幽灵力”源于连接两个钟摆的光束的难以察觉的振动。他是第一个通过交互来同步自治对象的科学描述。

方式将两个钟摆的同步模型和相对容易理解,但更复杂的系统,比如夹带的行人一个摇摇晃晃的桥,发电机中自发协调我们的电网,或同步闪烁的萤火虫在晴朗的夏夜吗?为了从成千上万个体复杂的相互作用中模拟自发出现的秩序,我们把每一个个体——无论是一个钟摆还是一个人——作为一个节点。我们称它们之间的相互作用为链接。然后,萤火虫/人/钟摆的互动系统可以被想象成一个相互关联的玩家网络。

在任何这样的系统中,两个关键因素决定了它的同步性:网络的结构和单个节点的动态(或特征和行为)。这有点像花样游泳或跳水:要想获得高分,运动员个人的能力很重要,但合作伙伴之间的协调也很重要。

个体差异

我们常常认为,我们的节点越相似,它们作为一个团队就会工作得越好。就像“物以类聚,人以群分”,人们期望“重量的钟摆一起摆动”。但是,有没有可能出现只有不同羽毛的鸟才聚集在一起的情况呢?或者在共识的情况下——一种特殊但普遍存在的同步形式——个人能因为(而不是无视)他们的分歧而达成一致吗?

想象一下,你邀请了一群朋友来参加你的乔迁派对,点了一个草莓猕猴桃蛋糕。每个人都很开心。蛋糕按时送到,看起来很好吃。然后是最难的部分——分蛋糕。如果你所有的朋友都有同样的偏好,比如说,他们都迷恋草莓,但讨厌猕猴桃,那么每个人都会盯着角落里那片有3片草莓的切片。天气好的时候,人们可能会尽量礼貌和妥协;在糟糕的一天,可能会爆发一场争吵,完全破坏你的聚会。

但如果该组织有多种偏好,那么怎么样?一些像草莓和一些像猕猴桃;一些爱角落,其他人渴望中间切片。然后很容易找到切割让每个人都开心的蛋糕的方法。从这个意义上讲,有异质口味的朋友可以真正帮助小组达成共识,就如何划分蛋糕并确保有趣的派对。

更普遍地说,任何相互关联的人群/钟摆/发电机必须克服来自所有可能方向的扰动才能同步。这些扰动可以是对群体的任何破坏——比如一个人生病了,我们的一个钟摆被推了一下,或者电网中的输电线路故障。而且,同步网络在对其他干扰相对有抵抗力的情况下,尤其容易受到一种干扰的影响。

要看这个,只要看看你最喜欢的一袋薯片。顶部边缘与其他三个不同——它有凹凸不平的脊状突起,这使得它更容易被撕开(想象一下用同样的力量撕开另一侧)。这种差异意味着袋子对作用在不同侧面的外力的反应是不同的。同样,一组同步的个体也更容易被正确方向的正确扰动撕裂。事实上,如果所有的个体都是相同的,他们都可能受到同样的干扰,破坏整个网络。这类似于一个多样化基因库的重要性。如果所有的人或作物都以同样的方式对同样的疾病敏感,那么我们就会更脆弱——一个健壮的品种可以帮助种群抵抗由疾病或病毒引起的更广泛的干扰。不同个体的正确组合可以作为一个群体对所有可能的挑战免疫。

相互作用的差异

所以,如果个体之间的差异有助于促进同步,那么他们相互作用的方式的差异呢?为了了解交互模式中的异构性的好处,让我们看一下下面的两个简单网络。

网络

第一个网络是同构网络:所有节点都以相同的方式连接——每个节点都向其右侧的节点发送信息。然而,它包含着一个反馈循环。在这里,节点1监听节点2,节点2监听节点3,节点3监听节点4——但是节点4监听节点1。我们又回到了起点。首先,目前还不清楚谁是负责人。这种循环会放大分歧。当争执爆发时,混乱就会出现,事情会变得很糟糕。

第二个网络是异构的:缺少的链路使得两端没有连接。但它有一个很好的等级结构,领导者-追随者结构。在左上角的节点显然是负责的。如果这些节点是试图一起工作的人,那么解决任何争议都很容易。每个人都知道他们应该听谁的,他们可以有效地一起工作。

但同步性不仅仅是切蛋糕和在跳水比赛中获得高分。它无时无刻不在自然界和社会中出现,如电网、激光阵列、保密通信网络等。更好地理解同步性可以产生深远的影响。

机器人、自动驾驶汽车、大群体的人类都需要在各种条件和约束下达成共识。当自动驾驶汽车共享道路,从而创建一个临时网络时,它们需要一起协商秩序、转弯和优先级。如果它们相遇时没有足够快地达成共识,它们可能会崩溃。当设计这样的系统时,在正确的地方指定有目的的异质性可以鼓励合作并促进更快的融合。

异质性对同步化的影响可能是为什么多样性在我们的社会中是有利的另一个解释。也许我们应该鼓励“不同羽毛的鸟”更经常地聚集在一起。所以下次你想和某人搭讪并“同步”的时候,不要争先忌后地找一个共同的话题,试着加入一些新的东西。分享一些对方不知道的事情可能会给你一个惊喜。

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