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Sandbox Physics
活性物质 · 边学边做实验

L2 · 第 3 章

没有吸引力,粒子也会越聚越多

进来得快,出去得慢,粒子就会堆起来。如果拥挤还会让游动变慢,一次偶然的聚集便可能拖住更多来客。这个反馈足够强时,均匀分布就会自己分成稀疏区和稠密区。

慢的地方容易堵

一条走廊铺了一半厚地毯。人们走到地毯上会慢下来,后面的人还在不断走来,于是慢的那半段更拥挤。大家并没有约好在那里集合,只是每个人停留得更久。

游动粒子也会在慢速区多待一会儿。简单稳态下,每秒进入和离开的人数相等;速度减半的一侧,可以容下两倍的密度。这里的快慢由外界指定。再往前走一步,让粒子自己决定哪里变慢,事情就更有趣了。

让拥挤拖慢自己

假设一个粒子周围的邻居越多,它游得越慢。某一小块偶然多了几粒,速度降下来,新来者也迟迟走不出去。这块地方越挤越慢,越慢又越挤。这个反馈就是运动诱导相分离的核心,人们常用缩写 MIPS 称呼它。

真实的自推进排斥粒子,也会因彼此挡路而慢下来。两个迎头相撞的粒子都朝前推,得等到方向转开才能脱身。用密度决定游动速度,可以抓住这种减速的一部分后果;模型里的粒子未必是一个个硬圆盘,密度也要在指定的邻域里统计。

若要预报某种胶体材料,碰撞力、粒子形状和周围流体都可能要算。若想先弄清“慢下来为何会聚集”,就可以直接规定速度怎样随密度下降,单独追踪这条反馈。两种问题需要不同层次的模型。

完整例题

做一个能区分原因的操作

用三种方式准备一团粒子:被动乱走;主动游动,挤了就减速;被动运动,但粒子之间互相吸引。在小盒子里,三种情况都可能出现团块。接着把自推进关掉,同时保留普通位置扩散和原有吸引力。

互相吸引的粒子还在拉住彼此。靠游动减速聚起来的那一团失去驱动后,则会被位置扩散慢慢抹平。干预后的变化,比两张都很漂亮的团簇照片更能说明聚集从何而来。

还可以让自推进继续,只去掉“越挤越慢”的规则。如果粒子能够自由穿过彼此,拥挤处就没有额外的停留原因。对于这里讨论的机制,持续游动还需要和密度反馈配合。

看到一团之后,还要量什么

几百个粒子放在一个小盒子里,偶然就可能凑成大团。换个种子,团块寿命可能变了;换个统计邻域,密度对比也可能变了。要讨论大尺度的两相共存,就得继续量。

记录密度分布随时间怎样变化,保持平均密度不变,再比较几个盒子大小,并用不同种子重复。密度直方图把采样邻域按拥挤程度分组,若出现一稀一稠两群,值得继续研究。浏览器按每个粒子取一次样本,按等面积小格统计则有不同的权重;扩大系统、延长观察后,这两群是否仍然清楚,才是下一步。下一章先把减速反馈写成一个失稳条件。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 关掉游动、保留位置扩散后,哪种方式准备的团块更可能留下来?
  2. 比较被动、拥挤减速和吸引预设,再减小主动情形的游动速度。
  3. 用进入和逃离的快慢解释变化,并查看导出的密度时间记录。

这些 Lab 生成粒子或连续场的合成记录,页面模型说明列出实际动力学和单位。

试着自己解释

1. 速度只要随密度稍微下降,粒子就一定越聚越多吗?

展开答案与解释

不一定。普通扩散仍可能抹平密度起伏。在局域、缓变近似里,减速必须足够陡,集体扩散系数才会变成负值;下一章会算出条件。

2. 只有最小盒子的某个种子出现团块,应当怎样描述?

展开答案与解释

可以报告一次有限系统的聚集事件,同时给出种子、寿命和密度统计。讨论两相共存前,还要扩大系统并重复。

可以放在旁边读的来源

  1. Cates & Tailleur, Motility-Induced Phase Separation, arXiv:1406.3533v1 (2014); Annual Review of Condensed Matter Physics 6 (2015)

    第 2–4 节讨论方向持续性、慢速区积聚和局域密度失稳。课程里的数值例题从写明的假设自行推导。

  2. Fily & Marchetti, Athermal Phase Separation of Self-Propelled Particles with No Alignment, arXiv:1201.4847v2, Physical Review Letters 108, 235702 (2012)

    研究无对齐、纯排斥自推进圆盘的原始数值论文。其微观受力模型与浏览器的密度减速模型不同。

  3. Stenhammar et al., A continuum theory of phase separation kinetics for active Brownian particles, arXiv:1307.4373v2, Physical Review Letters 111, 145702 (2013)

    说明领先密度梯度项怎样扩展局域减速描述。课程的微弱波纹例题另按局域极限计算。

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