從理論到現實:物理實驗室中相互依賴網絡的突破性表現
2010年,Shlomo Havlin教授和合作者在《自然》雜誌上發表了一篇文章,提出導致著名的2003年意大利大停電的突然停電是兩個網絡相互依賴的結果。根據哈夫林的理論,電力網絡和其通信系統之間的依賴性導致了級聯故障和突然崩潰。哈夫林的開創性工作點燃了統計物理學的一個新領域,即”網絡的網絡”或”相互依賴的網絡”,並為理解和預測網絡之間相互作用的影響鋪平了道路。
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兩個網絡層,以網絡內連通性相互作用(電導率)為特徵,通過依賴性相互作用(熱加熱)相互依存,用紅色的橫梁表示。資料來源:Shahar Melion受Maya Zakai的圖啟發而創作的圖。
哈夫林模型的主要創新之處在於存在兩種類型的鏈接,它們代表了兩種質量不同的互動關係。在網絡內部,節點之間的鏈接描述了連接性,如電力或通信連接。另一方面,網絡之間的鏈接描述了依賴關係,其中一個網絡中的一個節點的功能取決於另一個網絡中的一個節點的功能。通信樞紐需要電力,而電力站則依賴於通信控制。這種依賴關係導致了一種級聯效應,其中一個網絡中的一個節點的故障可能導致兩個網絡的突然崩潰。
在過去的十多年裡,來自以色列巴伊蘭大學物理系的哈夫林和其他人將這一概念應用於各種抽象系統,如互聯網、道路交通、經濟、基礎設施等等。但作為一個理論家,哈夫林無法在真實的實驗性物理系統上體現這一假設,因此該理論無法在受控實驗中得到證實,也無法在設備類應用中得到實現。
最近,哈夫林與他的同事阿維德-弗萊曼(Aviad Frydman)教授聯手,後者是巴伊蘭大學物理系的一名實驗者,專門研究無序系統的電氣特性,特別是超導體。超導是在某些金屬中觀察到的一種現象,當系統被冷卻到臨界溫度以下時,電阻就會消失。
受哈夫林理論的啟發,弗萊曼小組開發了一個相互依存的超導網絡的受控系統,這是一個與意大利停電事件中涉及的相互依存網絡的物理類比。兩個超導網絡被一個層隔開,這個層是電絕緣體,但能夠在網絡之間傳遞熱量,從而形成了一個兩類相互作用的系統。在每一層內,電流代表連接環節,而網絡之間流動的熱量代表依賴環節,因為它可以破壞超導段。
哈夫林和弗萊曼的合作小組包括實驗室經理Ira Volotsenko博士和三名研究生,Ivan Bonamassa博士、Bnaya Gross和Maayan Laav。
今天(5月1日)發表在《自然-物理學》雜誌上的這兩個小組的研究表明,雖然獨立的、未耦合的網絡隨著溫度的升高在超導體和普通金屬之間表現出平滑、連續的過渡,但耦合系統卻表現出突然的、不連續的過渡,正如理論所預測的。這歸因於這樣一個事實:流經一個層的正常段的電流導致另一個層的疊加段變得更熱,從而失去其超導性。層間的這種熱反饋過程以自我傳播的方式繼續進行(即在層間來回串聯),並最終導致進入金屬相的結點自發傳播的雪崩。
這項突破性研究為相互依存網絡理論的體現建立了第一個物理學實驗室基準,使實驗研究能夠控制和進一步發展複雜的相互依存材料的多尺度現象。
這項研究在多個學科中具有廣闊的意義,包括基礎物理、材料科學和器件應用。在基礎物理學方面,其科學影響在於發現了與相變有關的新物理現象。研究結果表明,100多年來廣泛研究的由單一相互作用類型支配的相變,只是由幾種相互作用類型支配的更豐富的一般現象的一個限制性案例。這些結果也可能導致建立一個新的網絡超材料領域,該領域基於具有不同層間相互作用的耦合層,表現出新穎的物理現象。該研究還表明,網絡系統的突然崩潰可能是一種理想的現象。如果加以利用,它可以應用於工程自愈系統或設計高靈敏度的開關或傳感器,例如,用於單光子檢測。
雖然網絡科學在2000年起源於物理學,但其隨後的發展和應用卻出人意料地沒有惠及物理學,而是惠及幾乎所有其他科技領域。本研究將網絡科學和物理學重新聯繫起來。它首次證明,在研究相互依存的物理系統時,網絡科學開發的新概念可以大大有利於物理學,同時發現新的物理過程,如新型相變。