Criticidad auto-organizada, Ejemplos de dinámicas críticos autoorganizados

En la física, la criticidad auto-organizada es una propiedad de los sistemas dinámicos que tienen un punto crítico como atractor. Su comportamiento macroscópico por lo tanto muestra la invarianza de escala característica espacial y/o temporal del punto crítico de una transición de fase, pero sin la necesidad de ajustar los parámetros de control a los valores precisos.

El concepto fue propuesto por Per Bak, Tang Chao y Kurt Wiesenfeld en un artículo publicado en 1987 en la revista Physical Review Letters, y está considerado como uno de los mecanismos por los que la complejidad surge en la naturaleza. Sus conceptos se han aplicado con entusiasmo a través de campos tan diversos como la geofísica, la cosmología física, la biología evolutiva y la ecología, la computación bio-inspirada y optimización, la economía, la gravedad cuántica, la sociología, las ciencias políticas solar la física, la física del plasma, la neurobiología y otros.

SOC se observa típicamente en los sistemas de no-equilibrio conducidos lentamente con grados prolongados de libertad y un alto nivel de no linealidad. Muchos ejemplos individuales han sido identificados desde el documento original de cierto, pero hasta la fecha no existe un conjunto conocido de características generales que garantizan un sistema mostrará SOC.

Criticidad auto-organizada es uno de una serie de importantes descubrimientos hechos en física estadística y campos relacionados a la segunda mitad del siglo 20, los descubrimientos que se refieren en particular al estudio de la complejidad en la naturaleza. Por ejemplo, el estudio de los autómatas celulares, desde los primeros descubrimientos de Stanislaw Ulam y John von Neumann a través de juego de John Conway de la vida y la extensa obra de Stephen Wolfram, dejó en claro que la complejidad se podría generar como una característica emergente de sistemas extendidos con interacciones locales simples. Durante un período de tiempo similar, gran cantidad de trabajos sobre los fractales de Mandelbrot Benot mostró que gran complejidad en la naturaleza puede ser descrito por ciertas leyes matemáticas en todas partes, mientras que el amplio estudio de las transiciones de fase llevada a cabo en los años 1960 y 1970 mostró cómo la escala invariante fenómenos como fractales y las leyes de energía surgieron en el punto crítico entre las fases.

Bak, Tang y papel de Wiesenfeld 1.987 unidos entre sí estos factores: una simple autómata celular se muestra para producir varios rasgos característicos observados en la complejidad natural de una manera que podría estar vinculado a los fenómenos de punto crítico. Fundamentalmente, sin embargo, el documento demuestra que la complejidad observada surgió de una manera robusta que no depende de los detalles finamente sintonizados del sistema: parámetros variables en el modelo podría ser cambiado ampliamente sin afectar a la aparición de comportamiento crítico. Por lo tanto, el resultado fundamental del papel de BTW fue su descubrimiento de un mecanismo por el que la emergencia de la complejidad de las interacciones locales simples podría ser espontánea - y, por tanto plausibles como una fuente de complejidad natural - en lugar de algo que sólo era posible en el laboratorio donde se era posible ajustar los parámetros de control a los valores precisos. La publicación de esta investigación provocó un considerable interés de ambos teóricos y experimentalistas, y documentos importantes sobre el tema son algunos de los artículos más citados en la literatura científica.

Debido a la visualización metafórica del BTW de su modelo como una "pila de arena" en la que los nuevos granos de arena se estaban lentamente purificados causar "avalanchas", gran parte del trabajo experimental inicial tendían a centrarse en el examen de avalanchas real en materia granular, la más famosa y extensa estos estudios probablemente siendo el experimento ricepile Oslo. Otros experimentos incluyen las llevadas a cabo en los patrones magnética de dominio, el efecto Barkhausen y vórtices en superconductores. Trabajo teórico temprano incluyó el desarrollo de una variedad de la dinámica SOC generadoras alternativas distintas del modelo BTW, intenta probar del modelo analítico, y el examen de las condiciones necesarias para que emerja SOC. Uno de los temas importantes de la última investigación fue si la conservación de la energía se requiere en los intercambios dinámicos locales de modelos: la respuesta en general es no, pero con reservas, ya que algunas dinámicas de cambio de qué requieren conservación local, al menos, en promedio. A largo plazo, las cuestiones teóricas fundamentales aún por resolver incluyen el cálculo de las posibles clases de universalidad del comportamiento SOC y la cuestión de si es posible derivar una regla general para determinar si un algoritmo arbitrario muestra SOC.

Junto a estos en gran medida los enfoques basados en laboratorio, muchas otras investigaciones se han centrado en los sistemas naturales o sociales a gran escala que son conocidos por mostrar un comportamiento invariante en escala. Si bien estos métodos no siempre recibidos por especialistas en los temas que se estudian, SOC, sin embargo se ha establecido como un firme candidato para explicar una serie de fenómenos naturales, como: terremotos, erupciones solares, las fluctuaciones en los sistemas económicos como los mercados financieros, la formación del paisaje; incendios forestales, deslizamientos de tierra, epidemias, avalanchas neuronal en la corteza, y la evolución biológica. Es preocupante, dadas las implicaciones de una distribución libre de escala de tamaños de eventos, algunos investigadores han sugerido que otro fenómeno que debe ser considerado un ejemplo de SOC es la ocurrencia de guerras y disturbios civiles global. Estas investigaciones "aplicados" del SOC han incluido dos intentos de modelación y análisis de datos extensa para determinar la existencia y/o características de las leyes de escala naturales.

La excitación reciente generada por redes libres de escala ha planteado algunas interesantes nuevas preguntas para la investigación relacionada con SOC: Se ha demostrado que un número de diferentes modelos de SOC para generar dichas redes como un fenómeno emergente, en oposición a los modelos más simples propuestas por investigadores de la red donde la red tiende a suponerse que existen independientemente de cualquier espacio físico o dinámica.

Ejemplos de dinámicas críticos autoorganizados

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