Неоднородность компонентов может повышать устойчивость сложных систем, включая электросети, экосистемы, нейронные сети и искусственные материалы. К такому выводу пришли физики Северо-Западного университета, разработавшие математическую модель для определения условий, при которых различия между элементами или связями сети оказываются полезнее единообразия.
Исследование опубликовано 17 сентября в журнале Science. Одновременно учёные создали сайт с визуальной моделью, где можно менять параметры и наблюдать, как элементы сети взаимодействуют, синхронизируются и формируют упорядоченные структуры. Работу возглавил Адильсон Моттер — профессор физики и астрономии имени Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и директор Центра динамики сетей.
«Предыдущие исследования выявили всё больше случаев, когда беспорядок — также называемый неоднородностью, нерегулярностью или асимметрией — между узлами сети действительно способен повышать устойчивость и улучшать её свойства, — сказал Моттер. — Мы наблюдали это в важных реальных системах, включая электросети, метаматериалы и вычисления мозга. Но мы не знали, насколько широко распространён этот эффект и какие системы могут получить от него пользу. Наше новое исследование отвечает на эти вопросы, объясняет, почему различия способны повышать устойчивость, и даже показывает, почему учёные так долго не замечали этот эффект».
Сети обычно описывают как совокупность узлов и соединяющих их связей. В электросети узлами служат генераторы, а линиями связи — линии электропередачи; в экосистемах узлы представлены видами, связанными конкуренцией, сотрудничеством или хищничеством. Однако традиционные модели часто делают все элементы одинаковыми и описывают каждый узел всего одной переменной, из-за чего могут не учитывать сложное поведение реальных систем.
Чтобы проверить влияние различий, исследователи сначала рассматривали сеть рядом с устойчивым состоянием, а затем вводили небольшие возмущения. Если они постепенно исчезали, система возвращалась к равновесию, а при усилении возмущений становилась нестабильной. Сравнение однородных сетей с моделями, где различались узлы или связи, провели для электросетей, нейронов, стай, искусственных материалов и экологических систем.
Как сообщает ScienceDaily, умеренная неоднородность может укреплять сеть, тогда как чрезмерные различия дают обратный результат. В ряде моделей случайно внесённая вариативность оказалась эффективнее даже лучшей полностью однородной конфигурации. Авторами исследования стали постдокторант Артур Монтанари и аспирант Пьетро Занин; работа получила поддержку Армейского исследовательского управления и Национального научного фонда США.