ホタルはなぜ同期して光るのでしょうか?

野生では、ホタルは常に自発的に一斉に光ります。メトロノームを緑色の厚紙の上に置くと、しばらくすると、複数のメトロノームのリズムがまったく同じになります。そして劇場では、誰かが指示しなくても、観客は自然に拍手の頻度が一定になるでしょう。一見よくある同期現象ですが、

科学者たちは300年以上にわたってこれを研究してきましたが、現在でも同期の理由を完全に解明できていません。

1656年、有名なオランダの物理学者クリスティアン・ホイヘンスは、船乗りたちが地球上の自分の位置を把握できるように、世界で初めて実際に機能する振り子時計を発明しました。時計の1日15分の誤差が10～15秒に減少しました。

当時の船員たちは、太陽と海面の角度を利用して船の緯度を測る方法をすでに習得しており、その精度は出発地点と現地時間の時差によって決定されていました。 1 時間の時差は、緯度の 15 度の変化にほぼ相当します。

1665 年 2 月、自宅で病気だったホイヘンスは、2 つの椅子の間に木の梁を置く実験を行いました。

航海中に船室に吊るされた 2 つの時計の揺れを再現するため、2 つの振り子時計が木製の梁に吊るされました。彼は何時間も振り子を見つめていた。すると彼は、2 つの振り子の最初の位置がどうであったとしても、約 30 分後には、2 つの振り子は常に同じ周波数で振動し、位相は常に反対の位置にあることに気付き、驚きました。

最初、ホイヘンスは、振り子のこの奇妙な誘導は振り子間の空気の流れによって引き起こされるに違いないと考え、空気の流れが広がるのを防ぐために振り子の間に大きな板を置きました。しかし、30分後、振り子は再び同期したので、彼は2つの時計を梁から離して再度テストしました。今回は時間の同期が失われましたが、森に戻すと同期が戻りました。

ホイヘンスは観測された同期現象についてロンドン王立協会に手紙を書いたが、当時はあまり注目されなかった。

ホイヘンスは、無生物におけるこの自発的な同期現象を初めて観察した人物です。彼はこの現象を定性的に説明したが、

しかし、科学者たちが振り子が同期している理由を解明したのは2015年になってからだった。オランダのアイントホーフェン工科大学のハンク・ニーダーマイヤー教授は、数値シミュレーションと理論分析を通じて、振り子が同期する理由は、振り子のカチカチという音によってテーブルが振動し、それによって2つの振り子の間でエネルギーの交換が実現され、同期が達成されるからだと考えています。

夜になると、ホタルはそれぞれ固有の周波数を持っているにもかかわらず、同期して光ります。

これは、それらの相互結合が十分に強力であるため、数百、数千のフラッシュが同時に点滅できるからです。科学者たちは素晴らしいシミュレーションを行った。このモデルでは、ホタルは近隣のホタルからのみ影響を受けます。近くにフラッシュが見える場合、自身のフラッシュを少し前方に押し出します。

しばらくすると、不思議なことが起こりました。相互作用は小さくて近いですが、時間が経つにつれて、ほとんどすべてのホタルが最終的に一斉に光り、劇場での拍手も同様に起こります。

熱力学の第二法則によれば、宇宙のあらゆるものは無秩序に向かう傾向があり、複雑なシステムでは無秩序が標準となります。

しかし、日常生活におけるこれらの一般的な現象は徐々に秩序あるものとなり、無秩序への傾向の影響を受けません。現在、さまざまな実用的な複雑システムにおける同期動作の研究は、さまざまな分野に共通する重要な課題の 1 つになっています。