Физики из Северо-Западного университета (США) разработали математическую модель, позволяющую рассчитать оптимальный уровень неоднородности для стабильной работы самых разных систем. Этот подход детально протестировали на моделях энергетических сетей, нейронных связей, метаматериалов и экосистем. Результаты научной работы опубликованы в журнале Science.
Десятилетиями в инженерии доминировала идея, что системы работают надежнее всего, когда все их элементы абсолютно одинаковы. Однако реальные объекты никогда не бывают строго симметричными: ветровые генераторы неизбежно выдают разную мощность, нейроны различаются по форме и импульсной активности, а виды в природе играют неравнозначные роли. Старые теоретические модели игнорировали эти физические особенности и использовали упрощенные формулы, из-за чего ученые долго упускали реальную пользу разрозненности.
Новая математическая модель доказала, что стремление к идеальной одинаковости было ошибочным. Абсолютная однородность лишает систему запаса прочности и делает ее хрупкой, а чрезмерный хаос ее разрушает.
Ключом к надежности оказался так называемый умеренный беспорядок — точечно рассчитанный уровень асимметрии между узлами или связями. Именно он позволяет сложным сетям эффективно гасить возникающие колебания и быстро самовосстанавливаться после резких скачков нагрузки — будь то всплеск потребления энергии, физический удар по материалу или неожиданный климатический сдвиг.
Более того, физики установили, что полезная неоднородность далеко не всегда требует точной настройки каждого элемента. Во многих экспериментах даже случайно внесенные различия между узлами делали всю структуру устойчивее, чем идеальная стандартная сборка.
Это открытие дало ответ на давний экологический парадокс: старые модели 1970-х годов утверждали, что крупные экосистемы должны быстро разрушаться, хотя в природе они сохраняют устойчивость веками. Как выяснилось, именно природная разнородность и сложные различающиеся связи (например, между растениями и насекомыми-опылителями) предохраняют природные системы от вымирания.
На практике полученные выводы помогут инженерам проектировать защищенные от веерных аварий энергосети. Кроме того, открытие изменит сферу материаловедения: при создании искусственных метаматериалов разработчики смогут сознательно варьировать формы и размеры внутренних элементов, чтобы получать сверхпрочные конструкции, способные гасить сильные вибрации.