Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các mô hình vật lý thống kê

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> <br /> VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC<br /> VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM<br /> <br /> HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ……..….***…………<br /> NGUYỄN PHƢỚC THỂ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHUYỂN PHA GOM CỤM CỦA<br /> CÁC LOÀI SINH VẬT BẰNG CÁC MÔ HÌNH<br /> VẬT LÝ THỐNG KÊ<br /> Chuyên ngành: Vật lý thuyết và Vật lý toán<br /> Mã số: 62440103<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ<br /> <br /> Hà nội - 2016<br /> <br /> 1<br /> <br /> Công trình đƣợc hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công<br /> nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> <br /> Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: TS. Ngô Văn Thanh<br /> Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: GS. TSKH Nguyễn Ái Việt<br /> <br /> Phản biện 1: …<br /> Phản biện 2: …<br /> Phản biện 3: ….<br /> <br /> Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại<br /> Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công<br /> nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201….<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại:<br /> - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ<br /> - Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> 2<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> Ngày nay, cùng với sự phát triển của Khoa học và Công nghệ thì vấn<br /> đề về Sinh thái – Môi trường đặt ra nhiều thách thức cho con người.<br /> Chẳng hạn như vấn đề tăng trưởng - tuyệt chủng của các loài, biến đổi<br /> gen, bệnh lạ do các chủng virut mới, khí thải độc hại và hiệu ứng nhà<br /> kính… Đã có nhiều cách tiếp cận từ các ngành khoa học khác nhau để<br /> nghiên cứu vấn đề này, các nhà sinh học thường quan tâm đến một số vấn<br /> đề liên quan đến sự tiến hóa, hành vi của các loài. Các nhà nghiên cứu vật<br /> lý cũng đã có nhiều đóng góp quan trọng như vấn đề hiệu ứng nhà kính,<br /> bức xạ, giải thích một số hành vi của các loài sinh vật.<br /> Một trong những chủ đề rất thú vị của hệ sinh thái là hành vi tập thể<br /> của các loài sinh vật, thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa<br /> học trong những năm qua. Trong đó, các hành vi tập thể như flocking,<br /> schooling hay swarming đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài chục năm<br /> trở lại đây. Để nghiên cứu vấn đề này, các nhà toán học đề xuất các mô<br /> hình giải tích dựa trên cơ sở các phương trình động lực học cổ điển.<br /> Nghiên cứu về các hành vi của các loài sinh vật nói chung và chuyển<br /> pha trong các hệ này nói riêng là một vấn đề mở để nghiên cứu. Các mô<br /> hình vật lý vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong các bài toán phức tạp<br /> liên ngành. Bởi vậy, chúng tôi chọn hướng nghiên cứu này làm chủ điểm<br /> với tiêu đề của bản luận án :<br /> “Nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh vật bằng các<br /> mô hình vật lý thống kê”.<br /> Ta biết rằng, đối với các loài sinh vật mà đặc biệt là sinh vật bậc cao,<br /> chúng có thể tương tác với nhau và với môi trường bằng các giác quan.<br /> Trong đó, khả năng quan sát của mắt có tính chất rất quan trọng và quyết<br /> định đến sự vận động, đặc biệt là hành vi tập thể. Để nghiên cứu vấn đề<br /> này, chúng tôi sử dụng lại mô hình của Vicsek, khảo sát sự phụ thuộc của<br /> thông số trật tự vào nhiễu tương ứng với các góc quan sát khác nhau.<br /> Đến nay các nghiên cứu dùng mô hình Vicsek làm cơ sở chỉ tập trung<br /> vào việc giải thích hành vi chuyển pha từ trật tự sang mất trật tự tại vùng<br /> nhiễu cao. Tuy nhiên, các loài sinh vật ở trạng thái bình thường (không bị<br /> nhiễu từ bên ngoài) thì hệ ở trạng thái tự do, phân bố ngẫu nhiên, các con<br /> vật tỏa ra xung quanh để tìm kiếm thức ăn. Hành vi này tương ứng với<br /> 3<br /> <br /> pha mất trật tự trong hệ vật lý. Khi bị tác động từ bên ngoài thì chúng<br /> gom cụm lại và sắp xếp trật tự (pha trật tự). Hành vi chuyển pha từ mất<br /> trật tự sang trật tự này không thể giải thích được từ mô hình của Vicsek.<br /> Thêm vào đó, theo quan sát thực nghiệm người ta dự đoán chuyển pha<br /> của hệ là chuyển pha loại I, bởi vì hành vi này diễn ra rất nhanh. Trong<br /> khi đó, từ mô hình Vicsek thì chuyển pha xảy ra là liên tục. Để giải quyết<br /> những hạn chế này, chúng tôi đã đề xuất hai mô hình mới:<br /> Mô hình thứ nhất chúng tôi xây dựng là từ cơ sở mô hình spin XY,<br /> Hamiltonian của hệ được định nghĩa bởi các thế tương tác giữa các cá thể<br /> với nhau bao gồm tương tác trao đổi, thế Morse và thế hóa học.<br /> Mô hình thứ hai dựa trên cơ sở mô hình Potts đồng hồ q trạng thái<br /> (q-Potts). Chúng tôi giả thuyết rằng, mỗi cá thể như một hạt với hai bậc<br /> tự do: một là tham số bên ngoài đặc trưng cho định hướng của chuyển<br /> động; hai là tham số nội tại để mô tả cho trạng thái bị kích thích hoặc<br /> không bị kích thích của mỗi cá thể dưới tác động của nhiễu. Trạng thái<br /> nội tại là tham số điều khiển tương tác của các cá thể. Các kết quả thu<br /> được phù hợp với quan sát thực nghiệm và đã khắc phục được những<br /> nhược điểm của mô hình spin XY.<br /> Nội dung của bản tóm tắt luận án được trình bày trong 3 chương.<br /> Tổng quan về hành vi tập thể của các loài sinh vật cũng như các mô hình<br /> lý thuyết sẽ được trình bày trong Chương 1. Lý thuyết chuyển pha và các<br /> phương pháp mô phỏng trên máy tính sẽ được trình bày trong Chương 2,<br /> với đầy đủ các thuật toán ứng dụng trong mô phỏng. Chương 3 trình bày<br /> những kết quả nghiên cứu về hiệu ứng góc quan sát đối với chuyển pha<br /> gom cụm, trình bày chi tiết về các mô hình mới được đề xuất và ứng<br /> dụng của chúng trong nghiên cứu chuyển pha gom cụm của các loài sinh<br /> vật, đặc biệt là chuyển pha ở vùng nhiễu thấp.<br /> <br /> 4<br /> <br /> Chƣơng 1. HÀNH VI TẬP THỂ CỦA CÁC LOÀI SINH VẬT<br /> 1.1 Tổng quan<br /> 1.1.1 Hành vi tập thể<br /> Hành vi tập thể của các loài sinh vật là hành vi của một hệ bao gồm<br /> các cá thể sinh vật cùng loài như cá, chim… Đặc điểm hành vi tập thể<br /> được hình thành từ các tác động qua lại lẫn nhau của cá thể để hình nên<br /> các quy tắc, tính chất động học của cả hệ. Ví dụ, quy tắc sắp xếp để các<br /> cá thể sinh vật sắp xếp theo hướng của các con lân cận để dễ dàng cùng<br /> di chuyển và có lợi về năng lượng. Một số hành vi đặc trưng là flocking,<br /> schooling hay swaming đã được nghiên cứu trong một thời gian dài cho<br /> đến nay [1, 2], [14].<br /> 1.1.2 Hệ tự tổ chức<br /> Tự tổ chức (self-organized) là một quá trình hình thành vận động tập<br /> thể bởi các quy tắc tương tác cục bộ từ một hệ hỗn loạn ban đầu. Quá<br /> trình này là tự phát, không có sự chỉ đạo hoặc kiểm soát bởi bất cứ tác<br /> nhân hoặc hệ con từ bên trong hoặc bên ngoài [14].<br /> 1.1.3 Hệ có con đầu đàn<br /> Trái lại với hệ tự tổ chức, trong một nhóm sinh vật có một hoặc một<br /> số con đầu đàn, nó có ưu thế nổi bật, có đầy đủ thông tin và khả năng<br /> thực hiện lãnh đạo đàn gọi là hệ có tổ chức [14]<br /> 1.2<br /> t ố hành vi tập thể của các loài sinh vật<br /> 1.2.1 Schooling<br /> Trong hệ các loài động vật, nếu một nhóm các cá thể cùng loài, cùng<br /> kích thước, chuyển động cùng tốc độ và cùng chiều gọi là hành vi<br /> schooling [14].<br /> 1.2.2 Flocking<br /> Trong vật lý, hành vi flocking là hành vi chuyển động tự hợp của một<br /> đàn sinh vật cùng loài được hình thành từ một số tương tác giữa các thành<br /> phần trong hệ với nhau [3].<br /> 1.2.3 Swarming<br /> Swarming là hành vi của số lớn các cá thể sinh vật có kích thước<br /> tương tự, chúng tụ tập tạo thành bầy đàn đông đúc để cùng chung sống,<br /> duy trì nòi giống, chống lại vặt săn, tiết kiệm năng lượng [4].<br /> 5<br /> <br />