Complexity and Criticality pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Christensen, Kim

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2005-10

价格:$ 122.04

装帧:HRD

isbn号码:9781860945045

丛书系列:

图书标签:

复杂系统
Physics
复杂性科学
复杂系统
临界现象
自组织
涌现
非线性动力学
网络科学
统计物理
跨学科研究
系统思维

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具体描述

This book provides a challenging and stimulating introduction to the contemporary topics of complexity and criticality, and explores their common basis. Criticality refers to the behaviour of extended systems at a phase transition where scale invariance prevails; the many constituent microscopic parts bringing about macroscopic phenomena that cannot be understood by considering a single part alone. The phenomenology of phase transitions is introduced by considering percolation, a simple model with a purely geometrical percolating phase transition, thus enabling the reader to become intuitively familiar with concepts such as scale invariance and renormalisation. The Ising model, meanwhile, is a simple model capturing the phase transition from a disordered to an ordered system as the temperature is lowered in zero external field. By emphasising analogies between percolation and the Ising model, the reader's intuition of phase transitions is developed so that the underlying theoretical formalism may be appreciated fully. These equilibrium systems undergo a phase transition only if an external agent finely tunes certain external parameters to particular values. Besides fractals and phase transitions, there are many examples in Nature of the emergence of such complex behaviour in slowly driven non-equilibrium systems: earthquakes in seismic systems, avalanches in granular media and rainfall in the atmosphere. A class of non-equilibrium systems, with no constraints in having to tune external parameters to obtain critical behaviour, is addressed in the framework of simple models, revealing that repeated application of simple rules might spontaneously give rise to emergent complex behaviour not encoded in the rules themselves. The common basis of complexity and criticality is identified and applied to a range of non-equilibrium systems. Finally, the reader is invited to speculate whether self-organisation in non-equilibrium systems might be a unifying concept for disparate fields such as statistical mechanics, geophysics and atmospheric physics.

好的，这是一份关于一本名为《复杂性与关键性》之外的、内容详尽的图书简介，字数约1500字： --- 《熵增时代的秩序：动态系统中的涌现与稳定》作者： [此处留空，或填充虚构作者名，如：亚历山大·科瓦奇] 出版社： [此处留空，或填充虚构出版社名，如：环球科学出版社] 导言：超越线性思维的藩篱在现代科学和工程的版图中，我们越来越多地面临着非线性、多尺度、相互依赖的系统。从气候模型的微小扰动到全球金融网络的连锁反应，从生物细胞内部的分子交互到宏大宇宙的结构演化，复杂性不再是一个抽象的概念，而是我们理解现实世界运作的核心挑战。然而，当我们深入探究这些错综复杂的系统时，一个看似矛盾的现象浮现出来：尽管个体组件的行为是不可预测的，但在特定的宏观尺度上，系统却能展现出惊人的稳定性和可识别的秩序。本书《熵增时代的秩序：动态系统中的涌现与稳定》旨在构建一座桥梁，连接看似随机的局部行为与可预测的全局结构，系统性地探讨在持续的能量耗散与信息流动中，涌现（Emergence）如何成为维持系统功能和抵抗无序化的关键机制。本书并非对既有复杂性理论的简单复述，而是聚焦于在不可逆过程的主导下，系统如何自发地组织起来，形成抵抗热力学第二定律普遍趋势的“暂态结构”。我们深入研究这些结构形成背后的数学基础、物理机制，以及它们在信息论和控制论中的深远含义。 --- 第一部分：耗散结构的基础：超越平衡态的视野本书的第一部分着眼于复杂系统存在的物理前提：远离热力学平衡。我们不再将系统视为静态的、处于最低能量状态的孤立体，而是将其视为开放的、持续与环境进行物质和能量交换的耗散系统。第一章：非平衡态的必要性与普里戈金的遗产详细回顾了普里戈金（Prigogine）关于远离平衡态的相变研究。重点分析了振荡反应（如Belousov-Zhabotinsky反应）作为系统如何通过非线性反馈机制，从均匀状态跃迁到具有时空有序结构的经典案例。探讨了这些结构形成对输入能量的阈值依赖性，并引入了最小熵产生原理在这些非平衡态下的适用边界与修正。第二章：信息、约束与有效自由度复杂系统的核心在于其有效信息。本章分析了如何使用信息论工具（如互信息和熵率）来量化系统内部的关联强度。关键论点在于：系统为了维持有序结构，必须“支付”一个信息代价——即在宏观上减少了系统的自由度，将更多的能量用于维持局部信息编码，从而降低了在特定尺度上预测的不确定性。探讨了有效维度的概念，用以区分系统中的“噪音”和“信号”。第三章：拓扑约束与形态发生场本章转向几何和拓扑学的视角。复杂的物理结构（如湍流中的涡旋、生物膜上的图案）并非随机生成，而是受到潜在的拓扑约束。我们引入Morse理论的初步概念，用以描述系统能量景观中的鞍点和极值点，这些点决定了系统在演化路径上的可接受的形态空间。重点分析了自组织临界性（SOC），讨论了为什么许多系统似乎总是在“准备爆发”的边缘稳定存在，以及这种状态对系统鲁棒性的影响。 --- 第二部分：涌现：从个体规则到全局模式的飞跃涌现是本书的核心议题。它描述了当大量组件以简单规则相互作用时，在更高组织层次上产生的全新性质和规律，这些性质无法简单地通过对个体规则的叠加来预测。第四章：多尺度耦合与尺度不变性系统内部的相互作用往往是跨尺度的。本章详细探讨了重整化群（Renormalization Group, RG）方法在理解系统如何“忽略”微观细节而聚焦于宏观行为上的应用。通过RG变换，我们展示了为什么在临界点附近，系统的行为会表现出尺度不变性，以及这种不变性如何提供了一种跨越不同物理背景的普适性描述。分析了分岔理论在描述系统从一种尺度组织到另一种尺度组织时的数学跳跃。第五章：集体行为的动力学：模式的形成与传播聚焦于集体行为的动态特性。本章深入研究了元胞自动机在模拟物理、生物和社会系统中的应用，重点分析了元胞遗传算法和基于个体的模型（ABM）如何揭示隐藏的群体动力学。详细讨论了行波（Traveling Waves）和空间结构（如Turing模式）的形成机制，特别是激活-抑制反馈回路在创建空间异质性中的关键作用。第六章：信息处理与决策的涌现在信息系统中，涌现不仅仅是物理模式，更是处理能力的出现。本章将视角转向计算复杂性。分析了遗传算法和人工神经网络（特别是深度学习的早期形式）中，通过大规模并行计算如何涌现出抽象特征的提取能力。核心讨论是：智能或适应性是否是特定类型的、具有高度信息压缩和重组能力的耗散结构的必然结果？探讨了图论在揭示信息流网络中的中心性和关键节点的形成过程。 --- 第三部分：稳定性的脆弱性与适应性：系统层面的韧性如果涌现产生了秩序，那么什么决定了这种秩序的寿命和抵御外界干扰的能力？第三部分探讨了系统层面的稳定性和韧性。第七章：反馈回路的平衡：延迟、非线性与振荡系统的稳定性高度依赖于其内部的反馈回路。本章详细剖析了时间延迟对系统动态行为的颠覆性影响。即使是微小的延迟，也能将一个稳定的系统推入周期性振荡甚至混沌状态。引入了李雅普诺夫指数来区分定性上的稳定、周期性和混沌行为，并讨论了如何在工程设计中主动管理这些延迟效应，以确保宏观功能的稳定性。第八章：网络结构与鲁棒性分析现代系统（无论是电力网、互联网还是生物代谢网络）都是高度互联的网络。本章专注于网络拓扑结构对系统韧性的影响。对比了无标度网络（Scale-Free Networks）和小世界网络（Small-World Networks）的特性。分析了随机故障（随机移除节点）和蓄意攻击（移除高影响力节点）如何以不同的方式侵蚀网络的连通性和信息承载能力。强调了冗余度与效率之间的内在权衡。第九章：适应性、学习与演化边界真正的生命系统和人工生命展现出超越简单抵抗干扰的能力——它们具有适应性。本章探讨了系统如何利用其涌现的结构来“学习”环境的变化。引入了演化算法和博弈论的框架，分析系统如何在动态变化的参数空间中，通过局部调整来寻求暂时的、基于环境的“最优解”。最后，展望了如何设计出具有内在自愈合（Self-Healing）能力的工程系统，这些系统能够在新环境压力下快速重构其涌现的秩序。 --- 结语：走向“可解释的复杂性” 《熵增时代的秩序》总结了从微观的非平衡态物理到宏观的网络科学的统一视角。我们论证道，复杂性并非是研究的终点，而是我们理解为什么某些结构能够持续存在的起点。通过精确量化信息的流动、拓扑的约束和反馈的延迟，我们正在从“观察复杂性”迈向“设计和预测复杂性”。本书的最终目标是为工程师、理论物理学家和数据科学家提供一套统一的语言，以便在动态、开放的系统中，识别、利用并最终驾驭那些在混乱边缘悄然诞生的、维持世界运转的秩序。