不知道您是否注意到一種現象？人群中不連貫的拍手會突然變得整齊劃一，所有人都以同樣的節拍發出聲響，是誰決定了這一切？不是你，也不是人群中任何一個人，這是一種稱之為同步的現象。
自然界中蟋蟀會同步唱歌，一群螢火蟲在黑暗中一起眨眼，節拍器並排擺放會形成步伐一致的活動。 在整個美國，電網運行在60赫茲，它無數的交流的支流自動同步。事實確實如此，我們生活是因為同步。我們大腦中的神經元以同步的方式運作著我們的身體和大腦，我們心臟中的起搏器細胞也是同步產生節拍。
有節奏的物體自然地同步。然而這種現象直到1665年才被完全記錄在案，當時荷蘭物理學家、發明家克裡斯蒂安·惠更斯因病臥床數日。一對新擺鐘並排懸掛在牆上，這是惠更斯發明的一種計時裝置 。惠更斯注意到鐘擺的擺動是完全一致的。也許是來自空中的壓力使它們的擺動同步？ 他進行了各種實驗，例如，把桌子立在兩個時鐘之間對它們的同步沒有影響。但是，當他把時鐘重新掛在相隔很遠的地方，或者彼此成直角時，它們很快就失去了相位。惠更斯最終推斷出時鐘的「交感」，正如他所說，是由於它們的擺動產生的力量互相撞擊鐘體而產生的。
當左邊的鐘擺向左擺動時，它的力會撞擊鐘壁，於是右邊的鐘擺向右擺動，反之亦然，一直到它們和鐘壁達到最穩定，放鬆的狀態。對於鐘擺來說，最穩定的行為是向相反的方向移動，所以每一個鐘擺都把另一個鐘擺推向它已經在前進的方向，就像你推鞦韆上的孩子一樣。這對鐘壁來說也是最容易的；事情，它根本不需要有任何移動，因為鐘擺給它平等和相反的力量。一旦處於這種自我強化的同步狀態，系統就沒有理由偏離。許多系統由於類似的原因同步，撞擊力會其他形式的影響所取代。
另一位荷蘭人恩格爾伯特坎普弗爾於1690年前往泰國，他觀察到當地的螢火蟲的閃爍極其規律，而且是同時精準地閃爍。兩個世紀後，英國物理學家約翰威廉斯特拉特發現注意到，並排放置兩支管風琴，可以讓管風琴發出完全一致的聲音，儘管它們之間存在不可避免的細微差異。20世紀20年代的無線電工程師發現，將不同頻率的發電機連接在一起，會迫使它們以共同的頻率振動，這也是支持無線電通信系統的內在原理。
直到1967年，美國理論生物學家阿特·溫弗裡才從蟋蟀的脈動鳴叫中獲得靈感，提出了一種同步的數學模型。只是溫弗裡的方程式太複雜而很難求解，1974年一位名叫田中倉本的日本物理學家發現了如何讓數學簡化。倉本的模型描述了一組振蕩器，它們是有節奏的東西，比如節拍器和心跳，並展示了耦合振蕩器自發同步的原因。當時34歲的倉本在非線性動力學方面幾乎沒有經驗，這是一項對於世界上的變量糾纏的反饋迴路的研究。當他向該學科的專家展示他的模型時，他們並沒有能理解其重要性。這讓倉本灰心喪氣，把這項工作暫時擱置。
五年後，溫弗裡偶然發現了倉本關於他的模型的談話大綱，並意識到它提供了一種革命性的新理解，來解釋一種遍及世界的微妙現象。倉本的數學已經被證明是多用途和可擴展的，足以解釋神經元群、螢火蟲、起搏器細胞、飛行中的椋鳥、化學反應、交流電以及無數其他現實世界中耦合的「振蕩器」種群的同步。現年78歲的倉本後來回憶說：我完全沒想到我的模型會有廣泛的適用性。
雖然倉本的模型應用無處不在，當時物理學家經過多年研究，試圖理解同步的幻想還是在2001年破滅了。再一次倉本又成了破譯同步的主角人物。
在倉本的原始模型中，振蕩器可以被描繪成以某個固有頻率以圓圈旋轉的箭頭。如果它是螢火蟲，每次箭頭指向上方時，它都會閃爍。當一對箭頭耦合時，它們相互影響的強度取決於它們指向方向之間角度的正弦值。這個角度越大，正弦越大，因此相互影響越大。只有當箭頭指向平行方向並且一起旋轉時，它們才會停止相互拉拽。因此箭頭將會漂移，直到它們找到這種同步狀態。即使具有不同固有頻率的振蕩器，在耦合時也能達到一種折衷，並且同步振蕩。
但是這幅基本圖只能解釋全局同步的開始，也就是所有振蕩器都做同樣的事情。除了最簡單的同步之外，還有很多全局同步的例子，這就是人們如此關注這一點的原因。倉本在2001年發現了一些非常不同的東西。這才是新的故事開始的地方。
他於2001年與蒙古博士後Dorjsuren Battogtokh共同發現了嵌合狀態，再次徹底改變了對同步的理解。當時是Dorjsuren Battogtokh首先注意到計算機模擬的耦合振蕩器中的一種新的同步行為。相同的振子，它們與相鄰的振子是完全耦合的，不知怎麼竟然分成了兩派：一些振子是同步振蕩的，而其餘的振子則前後不一致地漂移。
這樣的發現太奇怪了，宇宙在系統中的每個地方看起來都是一樣的。然而振蕩器對相同的條件做出不同的反應，有些振子聯合起來，而其他的則按照自己的方式進行聯合，好像根本沒有任何聯繫。可以這麼說，系統的對稱性「被打破了」。
康奈爾大學的數學家斯特羅加茨和他的研究生丹尼爾艾布拉姆斯，在他們自己的計算機模擬中再現了同步和異步的特殊組合，並探索了它產生的條件。斯特羅加茨將其稱為「嵌合體」狀態，它們是一個由不協調的部分組成的產物。
2012年，兩個獨立的團隊在實驗室中實現了這種嵌合狀態，它們在不同的物理系統中工作。從那時起就有更多的實驗發現了這種情況，許多研究人員懷疑嵌合體是自然產生的。大腦本身似乎也是一種複雜的嵌合體，因為它同時支持神經元的同步和異步放電。去年研究人員發現了嵌合狀態的不穩定與癲癇發作在定性上有相似之處。研究人員相信進一步的詳細研究可能會開闢新的治療方法來預測和治療癲癇發作。
但是嵌合狀態科學家還是沒有完全搞明白。倉本的模型提出的數學公式證明狀態是自洽的，因此可能給予解釋，但這並不能解釋為什麼它會出現。斯特羅加茨和艾布拉姆斯的數學研究更進一步，但其他研究人員想要一個更憑直覺的物理解釋。事實上研究人員還是沒有真正搞清楚嵌合體的關鍵。
嵌合體的發現開創了同步科學的新時代，揭示了同步可以採取的無數奇特形式。現在理論家們正在努力確定這些不同模式發生的時間和原因。研究人員對於如何在現實世界中預測和控制同步甚至抱著很大的希望。
當理論學家探索支撐這些奇異狀態的數學原理時，實驗主義者一直在設計新的更好的平臺來研究它們。加州理工學院的馬修·馬瑟尼和12位合著者，在上個月發表在《科學》雜誌上的一篇論文中，報告了納米機電振蕩器」(NEMs)網絡中一系列新的同步狀態。
研究人員研究了一個由8個NEMs組成的環，其中每個NEMs的振動將電脈衝發送給環中最近的鄰居。儘管這個八振子系統很簡單，然而研究人員開始看到很多瘋狂的事情。
研究人員記錄了系統在不同初始設置下的16種同步狀態，儘管可能有更多的罕見狀態。在很多情況下，NEMs與它們最近的鄰居解耦分離，並遠程同步，與環中其他地方的微笑鼓面同步振動。例如，在一個模式中，兩個最近的鄰居一起振蕩，但下一對採用了不同的相位；第三對與第一對同步，第四對與第二對同步。他們還發現了類似嵌合體的狀，儘管很難證明如此小的系統是真正的嵌合體。
NEMs比簡單的倉本振蕩器更複雜，因為它們振蕩的頻率影響它們的振幅，粗略地說，影響它們的響度。每個NEM固有的、自參照的「非線性」導致了它們之間複雜的數學關係。例如，一個物體的相位會影響其相鄰物體的振幅，而相鄰物體的振幅又會影響相鄰物體的相位。斯特羅加茨比喻說，NEMs環是「其他野生生物的代表」。當你加入第二個變量，比如振幅變化，「這就開啟了一個新的現象動物園。」
NEMs對大腦這樣巨大的網絡具有很大的啟示，與大腦的複雜性相比，NEMs環非常原始。如果科學家可以發現複雜性中的爆炸式增長，那麼一個由2000億個節點2000萬億個連接組成的網絡，它擁有足夠的複雜性來維持意識這件事很可行。
科學家們推測，大腦功能甚至意識可以被理解為同步和非同步之間複雜而微妙的平衡。還有一些科學家團隊致力於尋找如何讓電網同步穩定的規則，其他研究人員正在尋找在不同同步狀態之間推動系統的方法，這可能有助於矯正不規則的心跳。新穎的同步形式還可以應用於加密。通過適當的同步和異步組合可以實現各種任務，毫無疑問，生物進化過程已經形成了這種非常有用的機制，科學家希望通過引入類似的機制，人造系統會在功能上變得更加靈活。