双向双道非对称简单排它过程的自发对称破缺特性研究

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在自然界和人类社会中,存在着多种多样的物质运动过程。例如城市车辆交通系统、生物体内分子马达的运动。在这些运动过程中,最常见也是最简单的是一维运动过程。上世纪六七十年代,人们提出了一种理论模型,用来模拟生物高聚物的动力学机理,这个模型就是非对称简单排它过程(ASEP)模型。ASEP模型描述的是具有一串含有N个格子和若干粒子所组成的一维系统,粒子在格子串中运动,粒子在原来的格子中可以以一定的概率向两边的格子跳跃,但是在ASEP模型中,一个格子只能容纳一个粒子,因此该粒子不能跳入被粒子占据的格子。如果粒子向一个方向运动的概率为0,只能向另一个方向运动,那么就称为完全非对称简单排它过程——TASEP。由于TASEP模型更符合实际运动过程,因此TASEP模型受到了更多的关注。后来,科学家们提出了多种TASEP模型的扩展模型来描述更复杂的运动过程。在TASEP扩展模型研究中,涌现了许多一维平衡系统不具备的、丰富多彩的物理现象,自发对称破缺就是其中之一。   第二章,研究了在并行更新规则下、粒子跳跃概率小于1时的一种狭窄入口条件的双向双道完全非对称简单排它过程系统。粒子在两条道上分别向着相反的方向运动,且不允许换道。定义狭窄入口条件为:当另一条道上出口处有粒子时,粒子不可以从外界跳入入口格点。主要考虑在道上粒子以相同的、确定的概率向前跳跃。该模型相图、系统密度和流量均使用平均场理论分析,结果显示有两个对称破缺相。由相图可以看出,系统跳跃概率的变化对系统相图的结构变化产生了重要的影响。通过蒙特卡洛模拟,发现模拟结果与平均场理论分析结果差别较大,这是因为系统相关性没有被考虑在理论分析中。   第三章,为了解决前章所述的蒙特卡洛模拟和平均场理论分析的不一致,提出了一种改进的平均场理论来分析双向双道带有狭窄入口条件的TASEP模型。该改进平均场理论,考虑系统端侧处垂直格子串的两个格点的相互影响,从而计入了垂直格子串中格点的相关性,由此得到的理论结果比简单平均场理论得到的相图更符合蒙特卡洛模拟结果。   第四章,研究了带有狭窄出口条件的双道TASEP模型。定义狭窄出口条件为:当另一条道上入口处有粒子时,粒子不可以从出口格点跳出系统。使用了简单平均场理论、改进的平均场理论和蒙特卡洛模拟三种方法对该模型进行了研究,结果显示改进的平均场理论比简单平均场理论更贴近蒙特卡洛模拟结果,但是和简单平均场理论相比,改进的平均场理论适用范围较小。
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