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目录

一、关于沙堆模型二、自组织临界性三、属性/性质四、编者推荐五、集智百科词条志愿者招募



关于沙堆模型



阿贝尔沙堆模型 Abelian sandpile model,也被称为 Bak-Tang-Wiesenfeld 模型,是第一个发现的动力系统展现自组织临界性的例子。它是由 Per Bak,Chao Tang 和 Kurt Wiesenfeld 在1987年的一篇论文中提出的。
这个模型是一种 元胞自动机模型 Cellular automaton。在最初的公式中,有限网格上的每个位置都有一个与沙堆的坡度相对应的关联值。当“沙粒”(或“碎片”)被随机放置在沙堆上时,被放置位置的坡度就会不断累加,直到坡度超过一个特定的阈值时,这个位置便发生崩塌,沙子就会转移到其邻近的位置,而增加后者的坡度。Bak, Tang和 Wiesenfeld考虑了在网格上持续随机放置沙粒的过程; 每次这样在某个位置放置沙粒有可能不会产生影响,也有可能会引起级联反应而影响一大片位置。
该模型已经在无限栅格、其他非方形栅格和任意图(包括有向多重图)上进行了研究。它与美元博弈游戏密切相关,这个游戏是Biggs提出的一种开除碎片 chip-firing 游戏的变体。在矩形网格上的沙堆。黄色像素对应三颗沙粒,淡紫色代表两颗,绿色表示一颗,黑色表示没有。





自组织临界性



模型最初源于这样一个事实,即在晶格上的模拟中,不需要精细调整任何参数,系统被吸引到了它的临界状态,此时系统的关联长度和关联时间趋于无穷大。这与早期临界现象的例子形成了对比,例如固体和液体之间,或液体和气体之间的相变 phase transition,其中临界点只能通过精确调节参数(例如,温度)来达到。因此,在沙堆模型中,我们可以说临界性是自组织的。
一旦沙堆模型达到其临界状态,系统对扰动的响应和扰动细节之间的关联就没有了。一般来说,这意味着再往沙堆放一粒沙子可能不会导致任何事情发生,也可能导致整个沙堆大滑坡。该模型还显示了1/f噪声,这是自然界中许多复杂系统的共同特征。
沙堆模型只有在二维或者更高维度才会表现出临界现象。虽然沙堆模型可以放在一维上,但它不会演化到临界状态; 而是倾向于到达最差稳定态,此时每个格点上的沙粒数都马上要达到临界值。
对于二维情况,沙堆模型被假设认为可以对应到中心电荷为c = −2的辛费米子 symplectic fermion构成的共行场理论。



属性/性质



最小作用原理碎片构型的稳定化遵循一种“最小作用原理”的形式:每个顶点在稳定过程中不超过必要的崩塌量。
这可以如下形式化的描述。如果一个序列只崩塌了不稳定的顶点而达到了稳定构型,则称其为“合法的”,沙堆稳定化的标准方法是找到一个最大的合法崩塌序列,也就是说,让崩塌序列尽可能地长。这种序列具有明显的稳定性,沙堆的可交换性质是所有这些置换后的序列都是等价的,也就是说,对于任何顶点v,在所有合法的稳定序列中v的崩塌次数都是不变的。根据最小作用原理,最小稳定序列等价于合法的(且稳定的)崩塌序列的置换。特别地,由最小稳定序列产生的构型与由最大合法序列产生的构型是相同的。
更形式化地说,如果 u 是一个向量,  u(v)是碎片构型 z 在稳定过程中(通过不稳定顶点的崩塌)顶点v 崩塌的次数。
n是一个积分向量(不一定是非负的),z−nΔ′使得是稳定的,那么对于所有顶点 v,有u(v)≤n(v)。‍‍
缩放极限(标度极限)动画显示了在不同的 N×N,N≥1 网格上的沙堆群一个实例的常返构型,随着N增加的情况。将构型标度变换到同样的物理尺寸。看起来,更多的网格会表现得更加精细,并逐步“收敛到一个连续的图像”。从数学上讲,这是因为基于弱收敛的概念(或其他一些广义的收敛概念),方格上的沙堆模型在缩放极限。事实上,Wesley-Pegden和Charles-Smart已经证明了常返沙堆构型存在缩放极限。在与Lionel Levine的进一步合作中,他们使用缩放极限来解释了方格上沙堆的分形结构。





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来源:集智百科
编辑:王建萍


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