Sandbunker – matematik, fysik, kombinatorik og flotte billeder.

I 1987 fandt fysikerne Bak, Tang og Wiesenfeld på “sandbunker” en model for “self organized criticality”. Det vil jeg ikke vove mig ud i at forklare i detaljer, men det svarer til en slags faseovergang, som vi kender det fra materialer, der går fra fast til flydende til dampform. Det selvorganiserede indikerer, at systemet kommer i en særlig fase uden man behøver at påvirke det med eksempelvis varme. Sandbunker er en slags generalisering af  cellulære automater, som vi har set på tidligere. Celulære automater kan give komplicerede mønstre, men det kræver lidt arbejde og sker bestemt ikke altid. Sandbunker gør det af sig selv. Det er aktuel forskning, der er forbindelser til mange områder, både i teoretisk fysik og i kontrol af robotter.

Her er et billede af sådan en sandbunke – fra Sandpile Galleries på Carnegie Mellon 

Andre havde opdaget sandbunkerne fra et kombinatorisk synspunkt – uden fysik. På billedet er farverne antal sandkorn i en pixel Blå = 0, lyseblå =1, gul=2, rødbrun=3.

Lidt at fundere over. Der er ret skarpe grænser mellem farverne. Nærmest fraktalagtigt.  Zoom ind på midten og se en blomsteragtig struktur

 

 

 

Zoom ind på randen og se spidser og bratte overgange – et randfænomen.

 

Man laver en sandbunke efter følgende regel: Opdel planen i felter, ovenfor er det

Hæld sand ud over – fordelt på hver pixel. Begynd nu en proces, hvor stablerne vælter efter en fast regel:

For eksempel:

Hvis der er mere end 4 sandkorn på felt (x,y), så fjern de fire og læg en på hver af (x+1,y), (x-1,y), (x,y+1), (x,y-1). Bliv ved med det. Billedet ovenfor er lavet ved at starte med 2^{30} sandkorn i origo og lade dem vælte ud. Nedenfor er man startet med 2^{16} sandkorn. Og nedenunder det har jeg zoomet ind på det med 2^{30}.

 


Zoom ind på det første billede:


Nogle grundlæggende egenskaber ved sandbunker:

  1. Det er lige meget, hvilket felt man “vælter” først. Resultatet bliver det samme efterhånden. Man siger, sandbunker er Abelske. OBS: For cellulære automater skal man udføre et “move” på alle pixels på en gang.
  2. Det stabiliserer. Uanset starten vil der efterhånden ikke være mere at vælte.

Mere generelt kan man erstatte opdelingen af planen i et gitter med en graf, hvor der er regler for, hvordan sand fordeles ud fra hjørnerne. eller man kan lave et andet gitter i planen.

Man kan lade området være begrænset, så sandet vælter ud over kanten, hvis det når en randpixel. Gør man det, vil sandbunken ende med i gennemsnit 2,125 sandkorn pr. pixel. Begynder man med at have 3 på hver pixel, vil det naturligvis forblive sådan. Men dropper man et enkelt sandkorn et sted, vil det starte en serie af laviner, som ender med ca. 2,125 korn pr. pixel. (Det har jeg læst i Nautilus)

Videoen viser et 255×255 grid, som har indstillet sig i ligevægt med 2,125 korn pr pixel. Man tilføjer et enkelt sandkorn (af gangen, I presume)  i midten og et smukt system af laviner udfolder sig. Farverne fortæller, hvor mange gange sandet i den den pixel “er væltet”.

David Perkinson og Brian Head har lavet software, hvor man kan lege med sandbunker.

 

 

Rotorregler – mobile overvågningsrobotter.

En anden type sandbunkeregler er rotorregler, som man eksempelvis bruger til at studere mobile overvågningsenheder. Hver pixel sender sandkorn (robotter) i retninger, som skifter cyklisk –  eksempelvis nord, øst, syd, vest. Hvis alle skifter i takt og starter mod nord kan man studere et sandkorn, der starter i Origo. Det gennemgår (0,0), (0,1), (1,1), (1,0), (0,0). Med aggregerede rotorregler stopper sandkornet, når det kommer til en fri pixel. Sandkorn nummer 1 vil stoppe i (0,0). Sandkorn 2 begynder, når pilene peger mod øst, så det stopper i (1,0) Sandkorn 3 sendes til (0,-1). De pixels, der er besat efter 3 skridt er altså \{ (0,0), (1,0), (0,-1) \}. Billedet nedenfor viser de pixels, der er besat efter 2^16 sandkorn er myldret ud fra Origo. Farverne er den retning, den pågældende pixel pegede, da den blev “besat”. Man må nok forestille sig, at de mobile enheder kigger i den retning. Billedet er fra artiklen Laplacian Growth, Sandpiles and Scaling limits.Lionel Levine og Yuval Perez, Bulletin of the AMS, Juli 2017.. Der kan man finde mange matematiske spørgsmål om sandbunker, både løste og uløste.