Complexity in Chemistry, Biology, and Ecology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Bonchev, Danail (EDT)/ Rouvray, Dennis H. (EDT)

出品人:

页数:348

译者:

出版时间:2005-10-24

价格:USD 199.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387232645

丛书系列:

图书标签:

• 生物学
• 生态学
• 复杂系统
• 化学
• Complexity Science
• Systems Biology
• Ecology
• Chemical Networks
• Nonlinear Dynamics
• Emergence
• Self-Organization
• Interdisciplinary Research
• Mathematical Biology
• Pattern Formation

物理世界中的秩序与失序：从宏观到微观的系统动力学探索 图书名称：物理世界中的秩序与失序：从宏观到微观的系统动力学探索 内容简介： 本书旨在为读者提供一个跨越传统学科界限的视角，深入剖析物理世界中复杂系统的形成、演化及其内在的自组织与耗散现象。我们关注的焦点在于，如何在看似随机和混乱的表象下，识别并量化那些驱动系统行为的深层规律与结构。全书将系统地探讨从基础物理学原理出发，如何构建模型来理解和预测跨尺度（从基本粒子到行星尺度的天体系统）的非线性动力学行为。 第一部分：基础理论与线性系统的边界 开篇章节将回顾经典物理学在描述确定性系统上的成功，重点阐述牛顿力学、热力学第一和第二定律的核心概念。然而，我们很快将引入“复杂性”的必要性——即在何种条件下，线性叠加原理失效，系统行为变得难以精确预测。 统计力学与信息熵的引入： 本部分将详细阐述如何利用统计力学工具来处理大量粒子系统的行为。我们不满足于描述平均行为，而是深入探讨系统的微观态分布、玻尔兹曼熵与信息熵之间的联系。关键在于理解熵增定律如何成为系统演化的基本驱动力，以及在开放系统中，局部负熵的产生如何可能。 相空间分析与稳定性理论： 引入相空间的概念，这是理解动力学系统的核心工具。我们将详细分析线性系统的定性理论，包括鞍点、节点、焦点和极限环的拓扑结构。重点讨论系统的稳定性和不稳定性的物理意义，例如，一个微小的扰动如何被系统放大或抑制。 第二部分：非线性和混沌动力学 本部分是本书的核心，聚焦于描述复杂系统“对初始条件敏感”的特性，即混沌现象。我们力求在数学严谨性和物理直觉之间找到平衡。 洛伦兹吸引子与耗散结构： 通过对著名的洛伦兹模型（作为大气对流的简化描述）的深入分析，读者将领略分岔理论的威力。我们将解释，为什么在某些参数下，一个简单的微分方程组可以产生无限复杂的、非周期的解——奇异吸引子。这不仅仅是一个数学概念，它代表着系统在耗散作用下自我组织的能力。 分岔理论与临界现象： 详细阐述不同类型分岔（如横担分岔、超临界霍普夫分岔）如何标志着系统从有序到无序的转变点。我们将连接这些理论与材料科学中的相变现象，例如磁性、超导性等宏观性质的突变。 庞加莱截面与李雅普诺夫指数： 为了量化混沌的程度，我们将引入庞加莱截面作为降维分析的有效工具，并计算李雅普诺夫指数，以确定系统是否具有指数级的敏感性。 第三部分：自组织与耗散结构理论 本部分将目光投向远离热力学平衡态的系统，探讨普里高津提出的耗散结构理论如何在开放系统中实现宏观的自发有序化。 远离平衡态的热力学： 区别于描述平衡态的经典热力学，本章关注远离平衡态时的能量和物质交换。我们将探讨非平衡态稳态（Non-Equilibrium Steady States, NESS）的特性，强调系统必须持续地消耗能量或物质才能维持其低熵结构。 反应扩散系统： 通过图灵模式（Turing Patterns）的例子，我们将展示简单的化学反应和物质扩散如何自发地在空间上形成周期性的斑点或条纹结构，即化学振荡与形态发生的物理基础。这为理解生物体内的模式形成提供了坚实的物理框架。 信息的耗散与处理： 探讨信息论在耗散系统中的作用。系统如何通过其结构来“存储”或“处理”外界信息，以及这个过程本身对系统能耗的约束（如兰道尔原理的现代诠释）。 第四部分：网络动力学与复杂系统的互联性 我们将模型的尺度扩展到互联系统中，研究网络拓扑结构如何决定整体系统的动力学特性。 网络拓扑分析： 介绍小世界网络（Small-World Networks）和无标度网络（Scale-Free Networks）的结构特征，例如聚类系数和平均路径长度。我们将分析这些结构如何影响信息的传播速度和系统抵抗随机故障的能力。 同步现象的物理学： 深入研究大量耦合振荡器（如激光器、耦合电路）的同步行为。从Kuramoto模型出发，分析耦合强度、相位锁定以及全同步与部分同步状态的形成机制。我们将展示同步如何是一种普遍的自组织现象，在物理、工程和生物节律中均有体现。 网络上的故障传播： 讨论级联失效（Cascading Failures）的动力学模型，特别是在无标度网络中，中心节点的故障如何迅速导致整个系统崩溃，这对于理解电网、互联网和供应链的鲁棒性至关重要。 第五部分：从模拟到实际应用的跨尺度桥梁 最后一部分，我们将讨论如何将上述理论应用于实际的物理和工程问题，并展望未来研究的方向。 计算方法与模拟挑战： 介绍数值积分复杂非线性微分方程组的方法（如Runge-Kutta），以及蒙特卡洛模拟在探索高维相空间中的应用。讨论计算限制和有效模型的构建策略。 复杂系统的涌现性（Emergence）： 总结本书的主旨——涌现现象是复杂系统最引人入胜的特征。我们探讨如何从低层级的相互作用规则中，识别出宏观尺度上具有新颖性质的集体行为，而这些性质无法通过简单地叠加低层级的行为来预测。 本书面向对物理学、非线性科学、系统工程有浓厚兴趣的高级本科生、研究生以及研究人员。通过严谨的数学推导和丰富的物理实例，读者将掌握一套强大的工具箱，用于解析和理解我们周围世界中普遍存在的、看似无序却又井然有序的复杂系统。它提供的不是一套现成的答案，而是一种全新的、动态的思维方式。

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