《同步》 (2020-12-13 12:39:02 )

秩序如何从混沌中涌现
振子,是指自动循环的实体以或长或短的规律性时间间隔一次次重复自己的行为,例如萤火虫的闪光、行星的公转以及起搏细胞的发射。如果某些物理或化学过程使得两个或两个以上的振子相互影响,则为“耦合振子”。
振子共有的两个属性:发送和接收信号的能力。
生物中的同步(生物振子)
样例:萤火虫闪烁,脑电波发射。
原始模型:周期即相位,两个属性的影响度和灵敏度都是相位的函数;考虑个体差异,假定群体中振子的固有频率是按照钟形曲线随机分布的。
一个振子的速度由三个因素决定:固有频率;对所有外界影响的敏感度(取决于它的相位);其他所有振子对其产生的总体影响(取决于每个振子各自的相位)。
规则:振子间相互耦合,领先者速度减慢,落后者速度增加,耦合强度如二者间夹角的正弦函数值。
同步类似于相变。将非相干视作一种平衡状态,然后计算它的稳定性。创世问题(世界从混沌中诞生)变成了“非相干如何产生同步”。
非线性动力学、统计力学互补。前者可以轻松处理只有少数变量的小型系统,但无法处理大粒子群。后者擅长分析达到平衡状态的系统,但不能处理任何随时间振荡或不断变化的事物。
睡眠周期:两个昼夜节律(睡眠和体温)可以在同一生物体的不同周期中运行。
长睡眠总是开始于高体温点,短睡眠总是开始于低体温点。
当受试者在体温周期的晚期(体温较低的时候)入睡时,尽管他们已经熬了更长的时间,但实际上睡眠时间反而更短。
对于生活在一天24小时周期中的人,体温总是在睡醒前1~2个小时达到最低点,体温开始上升后的几个小时内醒来。在体温上升的同时,皮质醇(身体的应激激素)的分泌量最大,警觉性开始提高。在一天中余下时间里,几乎每个器官和生理功能都在一个可预测的时间表上起伏。这解释了为什么癌症化疗在某些特定阶段最有效(反映了DNA合成以及其他细胞的工作节律);以及为什么心脏病最有可能在9点左右发作(血压达到峰值)。新生儿最有可能在凌晨大约3点至4点之间出生,人也最容易在这个时间死亡,一个奇怪的暗示:我们存活的时间倾向于一个精确的、完整的天数。
快速眼动睡眠,如同汽车引擎在运转,油门(代表大脑飞速运转)和刹车(代表脊髓的抑制作用,阻止身体运动)都踩到了底。快速眼动睡眠最可能出现于体温周期中的最低体温点之后。
睡觉的“早禁区”位于上午10~11点之间,“晚禁区”在晚上9~10点之间,即睡觉前的1~2个小时。
眼睛到大脑有两条通路:一条是有意识的视觉,另一条是昼夜节律牵连。
宇宙中的同步
同步能力不依赖于智能、生命及自然选择,它源于最深刻的万物之源:数学和物理定律。
并联的发电机具有自同步倾向。任何引起一台发电机牵引另一台发电机的干扰,都会被立即流过的补偿电流所抗拒,于是产生了扭转力矩,使两台发电机的速率变得更加接近,及至相等。
月球中心以外的点的受力并不完全平衡。在月球的近地侧,引力更强;远地侧则离心力更强。这种不平衡造成了月球上有两个小凸起,一个在近地侧,一个在远地侧。地球上也是如此,月球的引力是导致海洋中产生潮汐的原因。这个1:1自转轨道共振,或称潮汐锁定。
天文同步的迹象,柯克伍德空隙:暗示木星的引力是“始作俑者”,木星的引力会与任何误入这些空隙中的小行星产生“共振”,有节奏地扰动它,并最终将它掷出小行星带。
新的假说认为地球上拥有巨量的水可能是运气使然,是与一颗小行星带中弹出的冰冻星球撞击的幸运结果。
量子的同步
宇宙中的每一个电子都是无法区分的。它们没有年龄,不会破裂或缺损,它们的完美超越我们见到过的一切群体行为。
电子被限制在一组离散的圆形轨道上,其角动量被量子化为了最小的度量单位,一个单位的角动量被称为普朗克常数(Planck’s constant)。
所有的量子粒子分为“费米子”和“玻色子”。 没有两个费米子可同时处于相同的量子态,即泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)。玻色子倾向聚集,一个玻色子采用某一特定状态的概率正比于已经处于这种状态的玻色子数量加1。
玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein condensate):当冷却到足够低的温度时,玻色子显示出了量子的一种同步,它们简直行动如一体,融合成了一种既非固体也非液体的一种新物质。
光子是由玻色-爱因斯坦统计下难以区分的粒子,所以把大量的光子置于同一量子态是可能的,它们的表现就像一列单独的、巨大的光波(激光)。
超导现象是量子力学入侵日常宏观世界的结果。超导依赖于一种微妙的机制,可以刺激电子成对加入变成玻色子(库珀对),它们形成玻色-爱因斯坦凝聚体,这种同步使其可以承载电流毫无阻力地流过金属。
良导体都是糟糕的超导体,因为无法形成必要的库珀对。
“隧穿电流”:库珀对在穿过绝缘体时会保持完好。
超导电流的强度应该取决于障碍物两边量子波的相对相位。
交流约瑟夫森效应:隧穿电流只是震荡,并不从高电压流向低电压。约瑟夫森效应会出现在任意通过弱连接耦合形成的两个相位相干的系统中。
经历玻色-爱因斯坦凝聚,氦4原子或氦3原子对成为玻色子,类同于库珀对。极低温下所有原子运动减慢,依据海森堡不确定性原理,引起量子波的延伸。在临界温度量子波重叠,自发落入相同量子态,数万亿计的原子同步为相位相干的超流体。
中间物的弱耦合
“你永远不应该相信一个未经理论证实的事实”。旋转的钟摆和约瑟夫森结的动力学特性都被同一个非线性的方程支配。
同步产生的条件:
第一,问题系统必须建立于大量自激振子之上;
第二,振子必须是弱耦合的,每个振子可以单独通过相位描述:
第三,也是最严格条件,每个振子之间的耦合强度必须相同;
第四,振子必须是几乎相同的,其特性散布与它们之间微弱的耦合强度大致相同。
晃动的千禧桥:每一步都会产生微弱的横向力。同步偶然产生:足够庞大的人群在某阶段会偶然间同步行进,一旦振动超过了危险阈值,桥就会出现轻微摇晃;此时反馈效应开始起作用,并加强摇摆。
混沌:蝴蝶效应,奇怪吸引子
洛伦茨方程可以产生混沌:由非随机的、确定性的规则支配的看似随机的、不可预测的行为。
技术意义上的混沌是指一个由非随机规律产生的随机状态。混沌系统中微小的扰动可以指数级快速增加,致使长期预测变得不可能。
混沌的特征:在确定性系统中看似随机的无规律行为;由于确定性的规律,短期内可预测;又因为蝴蝶效应的不可预测性,长期则无法预测。
成功预测混沌系统的状态的时间长度取决于三个因素:预测误差的容忍程度;初始状态测量精度的高低;无法控制的时间尺度(“李雅普诺夫时间”,能够预测的时间的极限长度,主要取决于系统内在动力学特性)。
螺旋波创造了同时构建于空间和时间上的振荡。只要核心完好无损,整个螺旋波可以自己再生。
小世界网络:深层的无尺度结构
对网络演化结构的量化度量:“平均路径长度”表示网络分离度,“集群”表示网络重叠的平均数量(朋友的朋友彼此也是朋友的概率)。平均路径长度反映全局结构,取决于整个网络的连接方式,无法从任何局部测量推断出来。集群反映了局部结构,取决于典型的邻居之间的相互连接。粗略地讲,平均路径长度决定了网络的大小,集群决定了裙带关系的强弱。
对于局部而言,变化成小世界是基本无法被检测到的。
在一个智慧的结构中(小世界)运行的愚蠢规则(多数决定原则),其性能已经打破了世界纪录。
度网络表现了自然选择的折中:对随机故障有抵抗力,对蓄意攻击它们的枢纽则表现十分脆弱。
复杂性的普遍模式,不同网络表现三种倾向:短路径、高集群,无尺度链接分布。
人类社会
流行现象最令人费解的特征:不可预测性、稀缺性和随意性。
群体的异质性有混合效应,更大范围的阈值会破坏系统的稳定性,更易受到流行的影响(本质是因为有更多的先行者),而更广泛的连接(每个节点的邻居数量变化更大)使系统趋于稳定。
鼓掌的同步和相变:为了实现同步,每个人都会将各自鼓掌的速度降低,如同耦合振子模型预测,当频率的散布充分减小时,系统突然跨越了相变,同步自动爆发。观众们感觉累积的噪声水平没有表达,他们便会加快鼓掌制造更多的噪音,这样频率分布变宽,相变越过相反方向,群体重新陷混乱。
“复杂性理论”:对多部分组成的非线性系统的研究。关注的不是小系统不稳定的行为,而是大型系统有组织的行为。
复杂性理论主要的局限性在于,它没能从深刻的数学意义上阐释出秩序源自哪里,以及没有用可信服的方式将该理论与真实现象联系起来。
读后感:读书其实也是一个“同步”的过程,从混沌的印象和疑虑到逐步跟上作者的思线和脉络,最后与书中观点产生共鸣和谐振:)

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评论与留言(20201213.《同步》)
[沙发] 小白免[RE]
安徽(108.61.162.227)
2021-01-05 22:18:39
早禁区具体指什么?
bykeer:[RE]
指那段时间很难入睡

[2楼] 小白免[RE]
安徽(60.173.3.92)
2021-02-23 17:23:52
这个呢?一个奇怪的暗示:我们存活的时间倾向于一个精确的、完整的天数。
bykeer:[RE]
新生儿最有可能在凌晨大约3点至4点之间出生,人也最容易在这个时间死亡,这给了我们一个奇怪的暗示:我们存活的时间倾向于一个精确的、完整的天数

——一些奇怪的没用的知识^_^

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