本文最初发表于 The Conversation。
想象一下夏日傍晚，夕阳的余晖逐渐消逝在一片古老的森林中。当最后一缕阳光消失在地平线下时，一个微小的闪光引起了你的注意。
你转过身，屏住呼吸；它再次闪烁，悬停在落叶层上方 2 英尺处。在昏暗的林间空地上，一个短暂的回应。然后是另一个，又一个，几分钟之内，闪烁的萤火虫便遍布了寂静的树林。
起初它们似乎杂乱无章。但很快，一些协调成对的萤火虫出现了，微小的组合以每秒两次的节奏闪烁。成对的萤火虫汇聚成三三两两，五五一群，突然间，整个森林都以一种共同的、闪耀的节拍脉动着。蜂群达到了同步。
萤火虫的聚集就像一场盛大的速配活动。闪光传递着雄虫求偶和雌虫选择的对话。在成千上万只萤火虫互动中竞争与合作的相互作用下，集体发光模式应运而生，闪烁着，如同 鸟群在空中盘旋舞动 的景象。一些萤火虫的闪光同步现象让科学家们困惑了一个多世纪。
同步现象普遍存在于宇宙的各个角落，从电子云到生物节律和行星轨道。但同步是一个复杂的概念，具有许多含义。它包含各种形状和形式，通常由数学揭示，之后再在自然界中进行探索。
以萤火虫群为例。再稍等片刻，在这群发光合唱中，出现了别的东西：一些不协调的闪烁者脱离出来，继续以自己的节奏闪烁。它们以相同的速度闪烁，但与随大流的同伴保持着固定的延迟。这是否能证明一种由数学方程预测，但在自然界从未见过得现象？
有变化的同步
二十年前，在深入研究形成同步框架的方程时，物理学家 Dorjsuren Battogtokh 和 Yoshiki Kuramoto 注意到了一个奇怪的现象。在特定条件下，他们的数学解会描述一种模棱两可的集合，显示出广泛的同步，其中穿插着一些不规则的、自由漂浮的成分。
他们的模型依赖于一组被称为振荡器的抽象时钟，这些时钟倾向于与邻居同步。这种不均匀的状态令人惊讶，因为方程假设所有振荡器都是完全相同的，并且以相似的方式连接。
对称性的自发破坏通常会让物理学家感到困扰。我们倾向于认为，系统结构中的某种秩序应该会转化为其大规模动力学中相似的秩序。如果振荡器是不可区分的，它们应该要么全部同步，要么全部保持混沌——而不是表现出差异化的行为。
这激起了许多人的好奇心，包括数学家 Daniel Abrams 和 Steven Strogatz，他们将这种现象命名为“嵌合体”（chimera）。在希腊神话中，嵌合体是一种由不协调动物的各部分组成的混合怪物——因此，这个名字很适合描述由不匹配的振荡器簇组成的混合体。
起初，嵌合体在数学模型中很少见，需要非常特定的参数才能出现。随着时间的推移，理论家们学会了在哪里寻找，并在这些模型的许多变体中发现了它们，并给它们起了“呼吸”、“扭曲”、“多头”等令人不安的绰号。尽管如此，这些理论上的嵌合体是否也可能存在于物理世界中——或者仅仅是一个数学神话——这个问题仍然是个谜。
十年后，物理实验室里进行的一些巧妙实验产生了难以捉摸的嵌合体。这些实验涉及精密调谐的相互作用网络和复杂的振荡器。虽然证明了工程化相干性和非相干性共存是一种微妙但可能实现的尝试，但它们未能回答一个更深层的问题：数学上的嵌合体能否也存在于自然界？
事实证明，需要一种微小的发光昆虫来揭示它们。
萤火虫闪烁合唱中的嵌合体
作为科罗拉多大学 Peleg 实验室 的博士后研究员，我 致力于破译萤火虫群落的内部运作。我们的方法建立在一个鲜为人知的现代物理学分支的基础上：动物集体行为。简而言之，我们的总体目标是揭示和表征动物群体动力学中自发的、无监督的大规模模式。然后，我们研究这些自组织模式如何从个体互动中涌现。
在经验丰富的萤火虫专家的指导下，我和我的同事们驱车穿越美国，前往南卡罗来纳州的 康加里国家公园，追逐 *Photuris frontalis*，这是北美少数已知的会同步的物种之一。我们在矮胖松林中的一个小森林空地上架设了摄像机。在第一缕闪光穿破暮色后不久，我们观察到了一种非常富有节奏、精确的同步，其清晰度似乎与方程预测的一样。
这是一次迷人的经历，但也让我陷入了沉思。我担心这种展示过于有序，以至于我们无法从中推断出任何东西。物理学家通过观察事物的自然波动来学习。在这里，似乎几乎没有变异性可供研究。
同步在数据中表现为随时间变化的闪光数量图上的尖锐峰值。这些峰值表明大多数闪光同时发生。当它们不发生时，轨迹看起来就不规则，就像涂鸦一样。在我们的图表中，我一开始只看到了完美同步的梳状图案。
事实证明，嵌合体就隐藏在眼前，但我不得不深入研究数据才遇到它。在那里，在发光合唱的峰值之间，一些较短的峰值表明较小的群体也在同步，但与主要群体不同步。我称它们为“配角”。 与同步的合唱一起，这些不协调的配角构成了嵌合体。
就像古希腊戏剧中的合唱队设定背景一样，配角创造了行动。这两组人相互交织，在同一个舞台上游走，正如我们从群体的三维重建中揭示的那样。尽管节奏上存在分歧，但它们的空间动态似乎无法区分。配角似乎并不聚集或相互跟随。
这种意想不到的相互交织的自组织引发了更多问题。群体中的配角是否会主动决定脱离，或许是为了表达它们的独立？还是它们会不自觉地发现自己陷入了不同步的状态？数学洞察力能否阐明发光甲虫之间的社会动力学？
与数学方程中的抽象振荡器不同，萤火虫是具有认知能力的生物。它们整合复杂的感官信息并通过决策流程进行处理。它们也一直在移动，与同伴形成和打破视觉联系。简化的数学模型尚未捕捉到这些复杂性。
在寂静的树林里，同步的闪光和它们不和谐的对应物可能已经照亮了数学家和物理学家们追逐新嵌合体的宝库。
