等级社会中的集体运动相变

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集体运动在自然界和人类社会中广泛存在,从宏观上鱼群,鸟群,各种哺乳动物的大规模迁徙,人群中都有相应的群体运动行为,到微观上细菌的繁衍以及细胞的定向运动。不同于生物学家对具体物种的案例研究分析,物理学家更倾向于通过建立简化的模型来捕捉不同群体背后所存在的一般图像,得到普适的物理规律。描述集体运动的经典Vicsek模型,在很大程度上促进了我们对集体运动的认识。这个模型用简单明了的规则定义了个体间的相互作用,局域的跟随和外界的扰动导致集体运动有序与无序的相变现象,这也是非平衡统计物理中重要的关注点。但是Vicsek模型是建立在全同性假设的基础上,这些个体是不可区分的,也就是在某些物种中集体运动可以视为一种平等民主的决策的结果。虽然某些物种的集体运动确实可以被描述为一种平等地位的决策结果,但更多的物种是基于非平等地位决策,其中一部分个体(甚至一个个体)领导着群体运动,存在明显等级社会结构。实验显示信鸽和迁徙的白鹳中存在明确的等级结构,在这两类物种中,只有少数领导者带领集体的飞行。非洲象、灰狼、灵长类等哺乳动物以及鱼群、蜂群等也表现出明显的社会等级结构。然而,从平等到专制的集体运动的通用模型仍然是空白。揭示等级结构对集体运动的影响是理解等级社会的一个重要挑战。在本文中,我们提出了一个等级结构模型,即在Vicsek模型的基础上,为了区分等级,对所有粒子进行编号,规定编号越小,在群体中的地位越高,对于那些低等级邻居以权重α考虑其影响。我们发现,随着等级影响参数α逐渐的减小,群体相变发生了本质的变化,从平均共享决策中观察到的弱一级相变,到强一级相变,最后到专制社会的二级相变。我们通过从微观角度分析了群体的空间结构,计算序参量的双峰结构,局部序参量和全局序参量的相关性,还有密度场和速度场的级联效应等来理解集体运动的相变行为。我们进一步通过双层等级模型和矢量噪音模型验证了这些结果的鲁棒性。最后,从网络视角我们定量地理解一级相变增强的原因,即将集群中的个体看作网络节点,个体间若存在相互影响对应节点间建立一条连边,将集群运动看作网络上的同步问题。它成功地再现了中等强度的α产生强的不连续性,给出了明确的物理图像。理论方面,我们的研究结果指出,考虑普遍存在的等级结构,极大丰富了群体相变行为,填补了从平等到专制的群体决策模型的研究空白;在实验方面,我们期待具有等级结构的具体种群案例研究来证实我们的结论,并揭示等级影响可能带来的其他复杂性。
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