Nagy Péter: Fortuna szekerén... tudni: az ész rövid, az akarat gyenge, hogy rá vagyok bízva a vak véletlenre. És makacs reménnyel mégis, mégis hinni, hogy amit csinálok, az nem lehet semmi. (Teller Ede) Az előadásban bemutatott szimulációk letölthetők: http://://csodafizika.hu/szimulaciok.zip 1
A véletlenszerűség jelenléte a természetben és hétköznapjainkban mindenki által megélt közvetlen tapasztalat, így a középiskolában és a felsőoktatás bevezető kollégiumaiban is meg kell mutatnunk tanítványainknak azokat a gondolatmeneteket, amelyekben valószínűségi megfontolásokat alkalmazunk. A statisztikus fizika jellegzetesen az a terület, amely valószínűségi gondolkodást igényel, fogalmai és módszerei azonban mind matematikai apparátusukban, mind szemléletükben idegenek, nehezen érthetőek akár a középiskolás diákok, akár a BSc szintű fizika kurzusok hallgatói számára. Jelentős módszertani kihívás, hogy ezeket a fogalmakat érdekes hétköznapi jelenségekhez kapcsolva tárgyaljuk, hiszen a diákok motiválása ebben az esetben különösen fontos. Ezt újszerű, izgalmas jelenségek tárgyalásával és az érdeklődést felkeltő korszerű (multimédiás) eszközök felhasználásával érhetjük el. 2
Véletlenszerűség a mindennapjainkban 3
Mi a véletlen? Pontosabban fogalmazva: van-e és felismerhető-e a természetben eredendően, a priori módon jelenlevő véletlen, vagy adott esetben csak tudásunk, információink hiánya (rejtett paraméterek) okozza a tapasztalt véletlenszerűséget? Családi fotó: vajon a némileg kirívó kinézetű gyermek csak a véletlen szeszélye, a genetika fintora? 4
Ha a családi fotót kiegészítjük a szomszéd bácsi (rejtett paraméter) képével, akkor már nagyon is determinisztikus ok sejlik fel 5
Két napos táblázatos feljegyzés egy busz indulási időpontjairól egy adott megállóhelyen. Van a busznak menetrendje, vagy véletlenszerű? 6
Menetrend: perc = (hónap*nap*óra+óra*óra*óra) mod 60 7
Tiszta és kevert stratégiák sztochasztikus folyamatokban Játékelméleti interpretáció: A legtöbb játék sok lépésből áll, s a játékosoknak lépésenként kell újabb és újabb döntéseket hozni. Ha a játékos döntéseit valamilyen egyértelmű szabály alapján hozza meg, tehát ebből a szabályból adott helyzetben mindig ugyanaz a lépés következik, akkor a játékelmélet szerint tiszta stratégiát játszik. A nem tiszta stratégiák alkalmazásakor a döntéshozatal nem egyértelmű. Kevert stratégiás játékmód esetében a játékos a játék folytatásának különböző lehetőségei között előre meghatározott valószínűséggel választ, azaz az általa meghatározott valószínűségek szerint véletlenszerűen hozza meg a döntését. Bizonyos állatfajok táplálékkeresési útvonala (bolyongás + területváltás) Általánosan: játék =sztochasztikus folyamat; játékos =természet 8
Parrondo-paradoxon: Két (vagy több) stabilan veszteséges stratégiát keverten játszva akár véletlenszerű kevert stratégiával, akár megfelelő fix minta szerint keverve az eredmény folyamatos, nagy nyereség lehet! (részletes leírás: http://csodafizika.hu/parrondo) 9
1. példa: két megfelelően szinkronizált lefelé mozgó lépcsőn az utas haladhat felfelé Videó: http://csodafizika.hu/parrondo/store/parrondo_lepcso.avi 2. példa: biológiai motorok, Brownian Ratchets Videó: https://www.youtube.com/watch?v=qu2ckqqldt4 10
A komplex rendszerek igen széles osztálya írható le az alábbi tulajdonságokkal: azonos típusú, véges sok lehetséges állapottal rendelkező ágenst (elemet) tartalmaznak, az ágensek száma igen nagy (termodinamikai határesetben végtelen), az ágensek meghatározott topológiában (többnyire valamilyen rácsstruktúrában) helyezkednek el, az ágensek között lokális (rövidtávú szomszéd-szomszéd ) kölcsönhatások vannak, létezhetnek a rendszer egészét (azaz minden ágenst) érő globális (külső) hatások, az ágensek szintjén véletlenszerű állapotváltozások (fluktuációk) történnek. 11
E (" szomszéd ") " szomszéd " H J H J si si s jsi si s j kt kt j kt kt j (1) m 1 N s N i i 1 Az Ising modell NetLogo szimulációja: ágensek=cellák, +1=piros, -1=zöld, szomszédos ágensek=élszomszéd cellák 12
Fázisátalakulás rendezetlen fázis: diffúz, kevés ágenst tartalmazó rövid élettartamú domének fázisátmenet: növekvő méretű és élettartamú domének rendezett fázis: hosszú élettartamú, a rendszer méretével összemérhető domének 13
Spontán szimmetriasértés Az (1) képlettel adott Hamilton-függvény H=0 esetben invariáns arra, ha az összes ágens állapotát ellentétesre változtatjuk, azaz szimmetrikus az s i -s i ( ) cserére, de a kialakuló homogén stabil állapotok már nem rendelkeznek ezzel a szimmetriával. Példa: standard modell Higgs-mechanizmusa ad tömeget a részecskéknek http://jaced.com/2010/10/01/spinning-cat-illusion/ 14
Hiszterézis Használjuk a NetLogo szimulációnkat: J=1 és T=1 értékeknél végezzük el az alábbi két szimuláció-sorozatot, anélkül, hogy újraindítanánk a futtatást (tehát futás közben változtassuk H értékét). Minden új H érték mellett legalább fél percig várjunk, majd mielőtt megváltoztatnánk H-t jegyezzük fel az aktuális H értékhez kialakult egyensúlyi m rendparaméter értéket! (a) H=1 ; H=0,8 ; H=0,6 ; H=0,4 ; H=0,2 ; H=0 ; H=-0,2 ; H=-0,4 ; H=-0,6 ; H=-0,8 ; H=-1. (b) H=-1 ; H=-0,8 ; H=-0,6 ; H=-0,4 ; H=-0,2 ; H=0 ; H=0,2 ; H=0,4 ; H=0,6 ; H=0,8 ; H=1. 15
Vizuális (kognitív) hiszterézis Az ábrán nyolc kis rajzot láthatunk. Ha a rajzokat nem egyszerre, hanem sorban egymás után jelenítjük meg, akkor kiderül, hogy attól függően, hogy jobbról-balra, vagy pedig balról-jobbra jelenítjük meg őket a középen levő rajzokon mást figurát érzékelünk (jobbról-balra sorrendben női akt figurát, balról-jobbra sorrendben pedig férfi fej karikatúrát látunk). 16
1. példa: túlhűtés (https://www.youtube.com/watch?v=pbz_y-vgvly) 2. példa: manipuláció(http://indavideo.hu/video/tudat_manipulacio) 17