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Difusión normal y caos dinámico

¿Existe algún resultado/teorema central que se refiera a la implicación de que un sistema dinámico que es caótico (en el sentido de un exponente de Lyapunov positivo mayor) exhibirá una difusión normal? Por "difusión normal" me refiero al crecimiento lineal del desplazamiento medio cuadrático.

Hay un "tema" de razonamiento sobre este tema que suele sugerir que tal implicación es cierta, al menos bajo ciertas condiciones, sin embargo nunca puedo rastrear cuáles son exactamente. Supongo que lo esencial es que una "aleatoriedad" suficiente a lo largo de la trayectoria de una partícula conduce a una probabilidad de desaparición de los vuelos balísticos.

Tal vez la pregunta más sencilla sea: ¿Cuál es un ejemplo de sistema dinámico caótico que presenta una difusión de tipo anómalo? Me gustaría evitar esos sistemas caóticos intermitentes si es posible.

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GLG Puntos 320

No, el caos no asegura una difusión normal.

El ejemplo típico de difusión anómala son los sistemas cuyo comportamiento alterna entre salta / ráfagas y los regímenes relativamente bien avenidos.

Un caso prototípico es, efectivamente, la intermitencia (véase este introducción ), pero también destacan los sistemas hamiltonianos caóticos que no son totalmente caóticos, es decir, con espacios de fase mixtos - aquí el comportamiento caótico se ve interrumpido por largos períodos de movimiento casi regular causados por las trayectorias que quedan atrapadas alrededor de islas regulares (como se menciona en esta pregunta y muchas otras referencias).

Esta dinámica intermitente suele describirse mediante Vuelos de Lévy que son paseos aleatorios en los que los pasos largos son más probables que para el movimiento browniano. La distribución de probabilidad de la longitud de los pasos para estos sistemas se dice entonces que es cola gorda - que confirma tu impresión de que "una "aleatoriedad" suficiente a lo largo de la trayectoria de una partícula conduce a una probabilidad de vuelos balísticos que se desvanece", sólo que el caos por sí solo (siendo, después de todo, determinista) no es necesariamente lo suficientemente "aleatorio" como para excluir las colas gordas. El péndulo caótico, por ejemplo, puede ser imitado por

un modelo estocástico que [alterna] vuelos balísticos y difusión aleatoria.

El vínculo de la difusión anómala con los vuelos de Lévy, su conexión con otros fenómenos como la ruptura de ergodicidad y la posibilidad de que sea un régimen transitorio para algunos sistemas está bien articulado en este documento de la introducción:

Su comportamiento está dominado por grandes y raras fluctuaciones que se describen mediante leyes de decaimiento no exponenciales, comúnmente denominadas Estadísticas de Lévy . Otros rasgos característicos de estos sistemas son ruptura de la ergodicidad es decir, la no equivalencia entre los promedios temporales y los correspondientes promedios de conjunto, así como envejecimiento es decir, una dependencia manifiesta del observable físico del lapso de tiempo entre la inicialización del sistema y el comienzo de la medición. Tanto la ruptura de la ergodicidad como el envejecimiento son, en esencia, dos caras de la misma moneda, ya que están íntimamente relacionados con no estacionariedad o ultralento relajación. Estos sistemas presentan varias formas de anomalías de difusión que también fueron demostrados en numerosos experimentos. Es posible que este tipo de dinámica no sobreviva hasta el régimen asintótico de tiempo largo, sin embargo, últimamente incluso su naturaleza transitoria ha sido predicha teóricamente y observada experimentalmente.

Así, teniendo en cuenta los ejemplos citados, el caos podría no garantizar una difusión normal, pero fuerte el caos probablemente lo hace, al menos en el régimen asintótico.

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Rhafi Sheikh Puntos 16

Hay muchos sistemas dinámicos que no presentan un transporte normal. Tomaré un ejemplo físico de la mezcla de fluidos. Cuando el desplazamiento medio cuadrático no crece linealmente con el tiempo, puede indicar la presencia de puntos no hiperbólicos (regiones malas o pegajosas). La hiperbolicidad implica una buena mezcla de fluidos. Siga las partículas en el flujo de fluido inestable a través de un obstáculo (este sistema es caótico) a un número de Reynold moderado y calcule el desplazamiento cuadrático medio. Notará que exhibirá un régimen difusivo después de un largo tiempo. Pero pasará por un régimen no difusivo o anómalo. Esto ocurre por la presencia de puntos no hiperbólicos en los obstáculos que contaminan la mezcla del fluido.

Un régimen difusivo implica una mezcla perfecta. Sin embargo, en la naturaleza, ningún sistema, ni natural ni artificial, está perfectamente mezclado. Incluso la mezcla de la nata en el café es anómala (véase el estudio de JEAN LUC THIFFEAULT sobre la mezcla), por eso siempre vemos la deposición de nata alrededor del límite de la taza.

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There are plenty of dynamical systems which do not exhibit normal transport. No era éste el objeto de la pregunta, pero gracias por traer a colación el ejemplo de los sistemas que pueden pasar por regímenes anómalos antes de alcanzar uno normal. Según tengo entendido, el transporte (en sentido físico) suele definirse en términos de asintótica crecimiento en el MSD, por lo que a pesar de que este escenario es interesante, no es exactamente lo que busco. Pero como usted deduce, vivimos en un mundo finito, por lo que asintótico puede ser una palabra demasiado fuerte. ¿Podría indicar una referencia más clara del estudio que menciona?

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He dado una posible respuesta a su pregunta "¿Cuál es un ejemplo de sistema dinámico caótico que presenta difusión del tipo anómalo?". Sólo quiero añadir que habría que comprobar otras propiedades estadísticas como la distribución de probabilidad, la tasa de escape antes de llegar a la conclusión de transporte anómalo o normal.

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