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。