Układy otwarte, zamknięte i izolowane (termodynamiczne) Fizyka systemów złożonych wykład 1: Wstęp

Transkrypt

1 Układy otwarte, zamknięte i izolowane (termodynamiczne) Fizyka systemów złożonych wykład 1: Wstęp Co tu jest stałe? Co może się zmienić? energia materia energia Katarzyna Sznajd Weron Wykład dla Inżynierii systemów IIst Układ otwarty Układ zamknięty Układ izolowany Pytania na dziś Układy i jego otoczenie Co to jest system (układ)? Co to jest układ złożony? Jaka to będzie fizyka? Jak fizyk patrzy na rzeczywistość? układ układ otwarty + otoczenie = układ izolowany Tylko dla takich istnieje ogólna teoria! otoczenie 2017, Marcin Weron Układ (fizyczny) Wyodrębniony (realnie lub myślowo) fragment rzeczywistości Układy, którymi będziemy się zajmować Zbiór cząstek Populacja zwierząt Sieć społeczna System zespół oddziaływujących obiektów Źródło: personal.umich.edu/~ladamic/img/politicalblogs.jpg Zagadka czy energia jest zawsze zachowana? Prędkość graniczna energia kinetyczna się nie zmienia! Potencjalna energia maleje Całkowita energia maleje! Myśl układami 1

2 Po co? Mapy podziałów etnicznych w amerykańskich miastach, rok 2010 Jak to zrobić? Kto jest nieszczęśliwy? 0.5 Chicago Detroit New York City Legenda: Biali Czarni Azjaci Latynosi 1 punkt = 25 mieszkańców Eric Fischer, ispiracja: Bill Rankin, 2009 ( Dane z Census OpenStreetMap, CC BY SA Model Schellinga (1971) Na szczęście są komputery Agenci mogą być tylko dwóch typów i początkowo rozmieszczeni są losowo na sieci Agent jest nieszczęśliwy jeżeli nie ma w otoczeniu takich samych jak on ( parametr T) Nieszczęśliwy agent jest przesuwany do losowo wybranej wolnej komórki Co otrzymamy dla zaludnienia 95% i poziomu nietolerancji T=30%? Schelling, T.C. Dynamic Models of Segregation, Journal of Math. Sociology 1: (1971) Jak to zrobić? Stan początkowy Co otrzymamy dla zaludnienia 95% i poziomu tolerancji T=30%

3 Ostra segregacja, c=80%, T=60% Co to jest układ złożony? Składa się z wielu elementów oddziałujących ze sobą nieliniowo Nieliniowe oddziaływanie : Całość to coś więcej niż suma jego części Typowe: Emergencja Samoorganizacja Brak równowagi (układy otwarte) Sprzężenia zwrotne Prawa potęgowe Jaka nauka płynie z modelu Schellinga? Model segregacji ze względu na pewną cechę (wiek, zamożność, ) Nikt nie preferuje ścisłej segregacji Ostra segregacja mimo łagodnych preferencji Mikro motywy i makro zachowanie Złożoność Co innego niż zawiłość (skomplikowanie) Emergencja Krytyczność Nieprzewidywalność Dziwne pętle, sprzężenia zwrotne Maurits Cornelis Escher, ASCENDING AND DESCENDING Więcej znaczy inaczej P.W. Anderson Co ma z tym wspólnego fizyka? 1977 nagroda Nobla z fizyki prace nad nieuporządkowanymi układami magnetycznymi P. W. Anderson, More Is Different, Science, New Series 177 (Aug. 4, 1972), pp

4 Przemiana fazowa para ferromagnetyk Ewolucja układu w czasie (ferromagnetyk) magnes ferromagnetyk niska temperatura Katarzyna Sznajd Weron Ferromagnetyk Paramagnetyk Jak to zrozumieć? Oddziaływanie porządkuje Temperatura losowe zmiany W niskich temperaturach porządek W wysokich temperaturach nieporządek Model Lenza Isinga ( ) Najsłynniejszy model fizyki statystycznej Modelowanie dynamiki opinii publicznej Ferromagnetyk (konformizm) Wpływ (siła oddziaływania) wzrasta wraz Ze zgodnością grupy Z rozmiarem grupy Wysoka temperatura nerwowo Modelowanie dynamiki opinii publicznej Przejście pomiędzy mikro a makro Dinozaury miały łuski Termodynamika poziom makroskopowy Dinozaury miały pióra 2017, Marcin Weron Ankieta, Fizyka statystyczna poziom mikroskopowy Marcin Weron Grób Boltzmanna na cmentarzu centralnym w Wiedniu 4

5 Adolphe Quetelet i analiza statystyczna Rozważania statystyczne Maxwella rozkład szybkości cząstek T1<T2<T3 Żywy histogram: 143 studentów Uniwersytetu Connecticut Opublikowany oryginalnie w The Hartford Courant, Reaching New Heights, O człowieku i rozwoju jego zdolności, albo fizyka społeczna (1835) Pokusa dla fizyków i narodziny socjofizyki Adolphe Quetelet ( ) Podobne jak rozkład błędów astronomicznych (krzywa Gaussa) Ważne prawo natury! Człowiek przeciętny obiekt fizyki społecznej Auguste Comte ( ) Twórca dziedziny, którą nazwał fizyką społeczną Termin socjologia (1838) Psychologia społeczna Socjologia James C Maxwell i cząstki Kinetyczna teoria gazów (1859) Dlaczego gazy zachowują się właśnie tak, a nie inaczej? Inspiracja pracami Queteleta Jeżeli do badania zjawisk społecznych nie trzeba znać losów pojedynczej jednostki Fizycy przeciwko socjofizyce Sugerowanie, że ludzie mogą zachowywać się jak atomy to bluźnierstwo przeciwko złożoności człowieka Kompletny nonsens! Należy to potępiać! Marcin Weron Praca (1982) manifest Serga Galama została skonfiskowana i zatrzymana przed publikacją Serge Galam,

6 Czy ludzi można traktować jak cząstki? Dlaczego i jak spada? Osobowość: zespół względnie trwałych cech Typy osobowości wg. Hipokratesa: sangwinik (łac. sanguis krew), choleryk (gr. chole żółć), melancholik (gr. mélanos czarny + chole żółć), flegmatyk (gr. phlegma flegma). 2017, Marcin Weron Czy ludzi można traktować jak cząstki? Spojrzenie fizyka na rzeczywistość Wszystko powinno być tak proste, jak to tylko możliwe, ale nie prostsze Naiwna psychologia Jak przewidzieć zachowanie człowieka? Eksperymenty społeczne: rola osobowości Psychologia społeczna i starożytna fizyka Arystoteles Fizyka Richard Nisbett Psychologia społeczna Newton zasady Do czego takie modele? Rozprzestrzenianie się informacji, plotek, opinii Wybory polityczne Wybory konsumenckie Dyfuzja innowacji Ruch drogowy i ewakuacja Ewolucja języka Ewolucja kultury Teatr: owacje na stojąco, synchroniczne oklaski 6

7 Cechy sieci społecznej Świat jest mały Ludzie trzymają się w paczkach Sieć Barabasiego Alberta Wkażdym kroku czasowym dołączam węzeł Preferencyjne dołączanie 1/2 2/4 3/6 Kasi nie ma na rysunku jest połączona z wszystkimi 1/4 1/6 1/2 1/4 3/8 1/6 1/6... 1/8 2/8 1/8 Przykładowa sieć (Kasia córka Wolframa) Źródło: Wolfram Alpha Personal Analytics for Facebook 1/8 A. L.Barabási, R. Albert, Science 286, 509 (1999) Sześć stopni separacji 1967, psycholog społeczny S. Milgram kilkuset losowo wybranych ludzi z Nebraski i Kansas otrzymało przesyłki z paszportem Cel osoba w Bostonie Podaj dalej do znajomego Jaki ten Świat mały! Książki o sieciach złożonych Travers, Milgram (1969) Do poczytania 296 losowo wybranych ludzi w Bostonie i Nebrasce Cel w Massachusetts 64 łańcuchy osiągnęły cel Średnia długość łańcucha 5.2 Książki popularnonaukowe Podręczniki po polsku 7