Кіріспе

Кездейсоқ графиктегі байланысқан кластерлердің мінез-құлқы туралы математикалық теория. Статистикалық физика мен математикада перколяция теориясы түйіндер немесе байланыстар қосылған кезде желінің қалай өзгеретінін сипаттайды. Бұл фазалық ауысудың геометриялық түрі, себебі қосылған бөліктің белгілі бір деңгейіне жеткенде кішкентай, байланыссыз кластерлер бірігіп, айтарлықтай үлкен, байланысқан, созылатын кластерлерге айналады. Перколяция теориясының материалтану және басқа да көптеген салалардағы қолданылуы туралы осы мақалада, сондай-ақ "Желі теориясы" және "Перколяция (когнитивтік психология)" атты мақалаларда талқыланады.

Кіріспе

Таңдаулы сұрақ (және атаудың бастауы) былай қойылады. Бірнеше сұйықтық кейбір кеуекті материалдың бетіне құйылса, онда сұйықтық тесіктен тесікке өтіп, төменгі жағына жете ала ма? Бұл физикалық мәселе математикалық тұрғыда n × n × n түйіндерден тұратын үш өлшемді желі ретінде модельделеді, олар әдетте «түйіндер» деп аталады, онда әр екі көрші түйін арасындағы қабырға «ашық» (сұйықтықты өткізе алатын) болуы мүмкін, бұл p ықтималдығымен, немесе 1 – p ықтималдығымен «жабық» болуы мүмкін, және олар тәуелсіз деп есептеледі. Демек, берілген p үшін, жоғарыдан төменге дейін ашық жолдың (яғни, әр байланысы «ашық» қабырғадан тұратын жолдың) болуының ықтималдығы қандай? Үлкен n үшін мінез-құлқы ең маңызды. Бұл мәселе, қазір «байланыс таралуы» деп аталады, математикалық әдебиетке енгізілді және содан бері математиктер мен физиктер оны жан-жақты зерттеп келеді. Кездейсоқ график алудың сәл өзгеше математикалық моделінде түйін p ықтималдығымен «толтырылған» немесе 1 – p ықтималдығымен «бос» (осы жағдайда оның қабырғалары алынып тасталады); осыған сәйкес мәселе «түйін таралуы» деп аталады. Сұрақ сол: берілген p үшін жоғарыдан төменге дейін жолдың болуының ықтималдығы қандай? Сол сияқты, байланысты график берілген жағдайда 1 – p үлесіндегі бұзулар кезінде график үзіліске ұшырай ма (ірі компонент болмайды) деп сұрауға болады. Осы сұрақтарды кез келген тор өлшемдері үшін қоюға болады. Көп жағдайда, шексіз желілерді қарастыру, тек үлкен желілерді қарастырудан оңай. Бұл жағдайда тиісті сұрақ: шексіз ашық кластер бар ма? Яғни, желі арқылы «өткізілетін» шексіз ұзындықтағы байланысқан түйіндердің жолы бар ма? Колмогоровтың нөлден бірге дейінгі заңына сәйкес, кез келген p үшін шексіз кластердің болуының ықтималдығы нөлге немесе бірге тең. Бұл ықтималдылық p-нің өсу функциясы болғандықтан (қосылу аргументі арқылы дәлелдеу), p-нің сындық мәні болуы керек (pc деп белгіленеді), одан төменде ықтималдық әрқашан 0-ге тең, ал одан жоғарыда ықтималдық әрқашан 1-ге тең. Іс жүзінде, бұл сындық мәнді анықтау өте оңай. Тіпті n 100-ге тең болғанда, жоғарыдан төменге дейін ашық жолдың болуының ықтималдығы p мәндерінің тар диапазонында нөлге өте жақыннан бірге өте жақынға дейін күрт өседі.

Тарих

Флори-Стокмайер теориясы перколяция процестерін зерттеген алғашқы теория болды. Біз білетін перколяция моделінің тарихы көмір өнеркәсібінде бастау алады. Өнеркәсіптік революциядан бері осы энергия көзінің экономикалық маңызы, оның құрамын түсіну және қолдануын оңтайландыру мақсатында көптеген ғылыми зерттеулерге түрткіс берді. 30-шы және 40-шы жылдары органикалық химияның сапалық талдауына қарағанда, сандық зерттеулерге көбірек мүмкіндік туды. Осы контексте 1938 жылы Британдық көмірді пайдалану зерттеу қауымдастығы (BCURA) құрылды. Бұл – көмір шахталарының иелері қаржыландыратын зерттеу ұйымы. 1942 жылы Кембридж университетінің химия факультетін жаңадан бітірген Розалинд Франклин BCURA-ға қосылды. Ол көмірдің тығыздығы мен кеуектілігін зерттеуді бастады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде көмір маңызды стратегиялық ресурс болды. Ол энергия көзі ретінде ғана емес, сонымен қатар газ маскаларының негізгі құрауышы ретінде де қолданылды. Көмір – кеуекті орта. Оның «шынайы» тығыздығын өлшеу үшін, оны молекулалары микроскопиялық тесіктерін толтыруға жеткілікті кішкентай сұйықтыққа немесе газға батыру қажет еді. Розалинд Франклин бірнеше газды (гелий, метанол, гексан, бензол) пайдаланып көмірдің тығыздығын өлшеуге тырысқанда, қолданылған газға байланысты әртүрлі мәндер алды. Осылайша, көмірдің тесіктері әртүрлі ұзындықтағы микроқұрылымдардан тұратынын, олар газдарды ажырататын микроскопиялық сүзуіш ретінде әрекет ететінін көрсетті. Сондай-ақ, ол осы құрылымдардың мөлшері көмір өндірісі кезіндегі карбонация температурасына байланысты екенін анықтады. Осы зерттеулерінің нәтижесінде ол докторлық диссертациясын қорғап, 1946 жылы BCURA-дан кетті. 50-ші жылдардың ортасында Саймон Бродбент BCURA-да статистик ретінде жұмыс істеді. Ол газ маскаларында көмірдің қолданылуын зерттеді. Бір мәселе – сұйықтықтың көмірдің тесіктерінде қалай таралатынын түсіну, ол ашық немесе жабық туннельдердің кездейсоқ лабиринты ретінде модельделеді. 1954 жылы Монте-Карло әдістері жөніндегі симпозиумда ол Джон Хаммерслиге осы модельді талдау үшін сандық әдістерді қолдану туралы сұрақтар қойды. Бродбент пен Хаммерсли 1957 жылғы мақаласында осы құбылысты модельдеу үшін математикалық модельді енгізді, яғни перколяцияны.

Жалпыға бірдейлік

Универсалдылық принципі бойынша, pc сандық мәні графиктің жергілікті құрылымымен анықталады, ал pc сын шегіне жақын мінез-құлқы жалпы сындық көрсеткіштермен сипатталады. Мысалы, сындық деңгейдегі кластерлердің мөлшерінің таралуы барлық 2D торлар үшін бірдей көрсеткішпен қуат заңы ретінде төмендейді. Бұл әмбебаптылық, белгілі бір өлшем үшін әртүрлі сындық көрсеткіштердің және pc-дегі кластерлердің фракталдық өлшемінің тор түріне және перколяция түріне (мысалы, байланыс немесе түйін) тәуелсіз екенін білдіреді. Алайда, жақында салмақталған жазық стохастикалық торда (WPSL) перколяция жүргізілді және WPSL-дің өлшемі оның орналасқан кеңістіктің өлшемімен сәйкес болса да, оның әмбебаптық классы барлық белгілі жазық торлардан өзгеше екені анықталды.

Субкритикалық және суперкритикалық

Субкритикалық кезеңдегі басты факт – "экспоненциалды ыдырау". Яғни, p < pc болғанда, белгілі бір нүкте (мысалы, бастапқы нүкте) r өлшеміндегі ашық кластерде (яғни, графтың "ашық" қабырғаларының ең үлкен байланысқан жиынтығы) болу ықтималдығы r-ға қатысты экспоненциалды түрде нөлге жуықтайды. Бұл үш және одан да көп өлшемде және тәуелсіз түрде екі өлшемде Кestenнің дәлелінің бір бөлігі болды. Осыдан екі өлшемде суперкритикалық фаза субкритикалық сіңіру процесіне дуалды екендігі шығады. Бұл үш және одан да көп өлшемдегі суперкритикалық фазаның негізгі нәтижесі болып табылады, яғни жеткілікті үлкен N үшін екі өлшемді 'ℤ'^(2) × [0, N]^(d − 2) плитасында шексіз ашық кластер бар. Бұл дәлелденді. Екі өлшемде , бірлік ықтималдығымен бірегей шексіз жабық кластер бар (жабық кластер – графтың "жабық" қабырғаларының ең үлкен байланысқан жиынтығы). Осылайша, субкритикалық фазаны шексіз жабық мұхиттағы шекті ашық аралдар ретінде сипаттауға болады. Ал p мәні сәл артқанда, керісінше, шексіз ашық мұхиттағы шекті жабық аралдар пайда болады. d ≥ 3 болғанда сурет күрделірек болады, өйткені және pc мен 1 − pc арасындағы p үшін шексіз ашық және жабық кластерлердің бірге болуы байқалады.

Биология, биохимия және физикалық вирусологияда

Перколяция теориясы биологиялық вирустың қабықтарының (капсидтердің) фрагментациясын сәтті болжау үшін қолданылды, гепатиті В вирусының капсидінің фрагментация шегі болжанып, тәжірибе жүзінде анықталды. Наноскоптық қабықтан белгілі бір мөлшердегі құрылымдық бөліктер кездейсоқ алынып тасталғанда, ол фрагменттеледі және бұл фрагментацияны зарядты анықтау массалық спектроскопиясы (CDMS) сияқты жеке бөлшектерді зерттейтін әдістердің арасында анықтауға болады. Бұл – кең таралған "Женга" ойынының молекулалық аналогы және вирустың ыдырауын зерттеудің кең ауқымына қатысты. Қызығы, табиғатта көбірек тұрақтанған вирус бөлшектері (фрагментация шегі жоғарырақ тілімдер) кездеседі, сондай-ақ Yersinia pestis оба бактериясының таралу модельдерінде де осыған ұқсас үлгілер байқалады.