遲滯(hysteresis)
/ hiss-ter-EE-sis /
把調光開關往上轉,直到一盞閃爍的燈泡終於點亮並穩定發光,然後再把它往下轉——你會注意到,它在遠低於最初點亮的位準時仍保持亮著。系統「記得」你是從哪個方向來的。它最終落在哪裡,不只取決於當前的設定,還取決於你抵達那裡所走的路徑。這種路徑依賴性、這種開與關之間的落差,就是遲滯。
當分岔圖有一條 S 形或折疊的平衡點曲線時,就會出現遲滯,使得在一段參數值帶內存在兩個共存的穩定狀態、中間夾著一個不穩定狀態。當你緩慢增大參數時,系統緊貼著下方的穩定分支,直到該分支在一個折疊(鞍結)處終止,便猛然跳到上方分支。現在減小參數:系統緊貼著上方分支,不會在同一處掉回——它一直撐到上方分支碰到自己那個位置更低的折疊,才跳回去。因為上跳與下跳發生在兩個不同的參數值,往上掃與往下掃描出不同的路徑,圍成一個遲滯迴路。在那段帶內,你處於哪個狀態,是由你的歷史決定的。
遲滯正是為什麼許多真實開關可靠而不抖動:一個恰好在單一溫度開關暖氣的恆溫器會喋喋作響;刻意留一個間隙(一條遲滯帶)讓它有所承諾。同樣的機制解釋了自然與工程中突然、難以逆轉的轉變——一個挫曲的結構在負載放鬆後不會解挫、一個翻轉為混濁狀態的湖泊抵抗清理、一個在磁場移除後仍持續的磁化。教訓很尖銳:靠把參數往前推而達到的臨界點,一般不會靠把它往回拉同樣的距離而被撤銷。
一個服從 x' = r + x - x^3 的系統有一條 S 形平衡曲線。從低處增大 r:狀態坐在下方分支,到上方折疊處便跳高。減小 r:它坐在上方分支,要到下方折疊(一個較小的 r)才掉下來。這兩次跳躍發生在不同的 r,所以往上的路徑與往下的路徑不同——形成一個遲滯迴路。
把參數往上掃再往下掃,會沿著一條 S 形折疊描出不同的路徑——當前狀態記得過去。
遲滯需要兩個共存的穩定狀態(雙穩態),而這又需要非線性以及來自一對鞍結的折疊分支。一條單值的平衡曲線沒有記憶——反轉參數,你會原路重走完全相同的狀態。