До сих пор не было возможности рассчитать это.Используя статистическую физику, северо-восточный сетевой теоретик Альберт-Ласло Барабаси и его коллеги Цзянси Гао и Барух Барзель разработали инструмент для определения этой переломной точки — для всего, от экологических систем, таких как пчелы и растения, до технологических систем, таких как электрические сети. Это открывает двери для планирования и реализации превентивных мер, пока не стало слишком поздно, а также для подготовки к восстановлению после аварии.
Этот инструмент, описанный в новой статье, опубликованной в среду в журнале Nature, заполняет давний пробел в понимании учеными того, что определяет «устойчивость», то есть способность системы приспосабливаться к нарушениям, как внутренним, так и внешним, для того, чтобы чтобы оставаться функциональным.«Отказ системы может привести к серьезным последствиям, будь то для окружающей среды, экономики, здоровья человека или технологий», — сказал Барабаси, профессор Роберта Грей Доджа и заслуженный профессор факультета физики университета. "Но не существовало теории, которая учитывала бы сложность сетей, лежащих в основе этих систем, то есть их многочисленные параметры и компоненты. Это сделало очень трудным, если не невозможным, прогнозирование устойчивости систем перед лицом возмущений для тех, кто параметры и компоненты. Наш инструмент впервые позволяет делать такие прогнозы ".
Измерение температуры системыБарзель, научный сотрудник лаборатории Барабаши, который участвовал в исследовании и сейчас работает в университете Бар-Илан, проводит элегантную аналогию между ролью температуры в определении точки перелома в кастрюле с водой и единственным параметром — температурным эквивалентом. как бы — то, что их инструмент может раскрыть, чтобы определить переломный момент в любой сложной системе.Учтите: 100 градусов по Цельсию — это переломный момент для воды, переходящей из жидкого состояния в пар. Думайте о жидкости как о желательном состоянии для системы, а о паре как о нежелательном, означающем коллапс.
Миллионы параметров и компонентов количественно определяют то, что происходит в этом горшке с водой, от отношения молекул воды друг к другу до их скорости и химических связей, связывающих их элементы.По мере нагрева воды эти параметры и компоненты постоянно меняются.
Измерение этих многочисленных изменений с течением времени — микроскопический подход к оценке состояния воды — было бы невозможно. Как же тогда нам узнать, когда вода достигает порога, который отделяет желаемое (жидкое) состояние от нежелательного (парообразное)?Просто: по одному параметру — температуре.
Когда вода в кастрюле достигает, скажем, 99 градусов по Цельсию, срабатывает сигнализация, и мы знаем, что нужно снять ее с огня.«Статистическая физика обнаружила, что все эти миллионы параметров и компонентов можно свести к одному числу — температуре», — сказал Барзель. «Сейчас мы принимаем это как должное, но это было огромное научное достижение».
Инструмент исследователей аналогичным образом сводит все параметры и компоненты любой сложной системы в одно решающее число. Это позволяет нам, по сути, измерить «температуру» системы, чтобы определить ее работоспособность и соответствующим образом отреагировать.«Мы собираем все данные и сопоставляем их с одним числом, универсальной кривой устойчивости», — сказал Гао, постдок из лаборатории Барабаси. «Это единственное число, которое нам нужно, чтобы количественно определить, находится ли система на желательной или нежелательной стороне порога или даже приближается к опасной зоне».От теории к применению
Конечно, взаимодействие между, скажем, пчелами и растениями в экологической системе не то же самое, что взаимодействие между молекулами воды в горшке, — отметил Барзель. «Но способ мышления и математические инструменты, которые мы используем — статистическая физика — очень похожи».Однако большая разница в том, что мы знаем, как предотвратить разрушение водяной системы: выключите нагрев до того, как температура достигнет 100 градусов по Цельсию. Действительно, система водоснабжения сама по себе дает видимую подсказку по мере приближения к критической точке: пузырям. Вы не можете сказать то же самое об умирающих пчелах.
Проблема естественным образом приводит исследователей к следующим шагам: использование статистической физики как для раннего обнаружения проблем в системе, так и для ее восстановления, если она перешагнула пороговое значение.«Как только вы определите соответствующий параметр, который контролирует устойчивость системы, вы можете начать решать, как управлять этой устойчивостью — как повысить устойчивость или восстановить устойчивость», — сказал Гао. «Это непростые вопросы, но наша теория, давая нам картину всей системы, прокладывает путь к ответам».