物理

世界上最对称的物体

Rose Eveleth 发表于  2017-03-16 11:47

(本文由 Nautilus 授权转载,译/金牙)如果你曾尝试给自己剪头发,你就会知道让一个东西完全对称是多么的困难。我们之所以认为对称如此重要,部分是因为对称真的很难。

以下是人类制造的五个最对称的东西,以及为什么它们这么难造。

引力探测器B的石英陀螺仪转子

2004年,承载着测试广义相对论使命的引力探测器B(GP-B)随着德尔塔II型火箭被发射入太空。地球轨道卫星包含一系列陀螺仪,这些陀螺仪可以测量广义相对论预测的两个现象:时空的曲率(测地线效应),以及大物体引起的时空扭曲(参考系拖拽)。为了测量这些项目,陀螺仪必须极其精准。大于每小时一千亿分之一度的偏差都会使实验尽毁。相比而言,用在潜艇、军用飞机上的标准陀螺仪的精准度比这个实验要求的低了超过一千万倍。

一个陀螺仪转子。图片来源:NASA

构造一个精准陀螺仪的关键在于创建完美对称的转子——它是一个快速旋转的元件,让陀螺仪保持其方向。这些转子必须完全平衡,并且在内部也要完全均匀。GP-B的团队用在巴西生长、在德国烤制的纯石英块制作了这些球体。每个陀螺仪的表面几乎是完全球形的,起伏不到10^-9米。

依据《吉尼斯世界记录大全》,这是人类制作的最圆物体。制作这一球体的斯坦福团队声称比这更完美的球体只有中子星。

阿伏伽德罗计划的千克硅球

涉及到完美球体,GP-B的唯一真正竞争者就只有不久后将定义千克的球体了。这个球体出自“阿伏伽德罗计划”,光原料就耗资超过百万美元。它的目标是代替国际千克原器(IPK)。在国际单位制(本质上的公制系统)中,千克是最后一个还使用物理客体——一个由铂铱合金制成的圆柱体——而不是物理原理定义的单位。这个圆柱体被置于三层嵌套的钟罩里,目前就放在巴黎市外的一间有空调的地下掩体里。

这个一公斤球体分割自一整块纯度99.9995%的硅-28晶体。图片来源:wikicommons

问题在于,对比置于其他国家的40个相似圆柱体,现在的IPK已经丢失了一丁点重量,这对于用作定义质量单位的物体来说是一个重大缺陷。因此阿伏伽德罗项目人员制作了两个棒球大小的、近似完美的球体,完全由硅-28原子制成,应当能永久保持在精确的一公斤。这些硅原子在俄罗斯进行了纯化,用的是前苏联曾用来制作核武器的离心机。之后纯硅被运至德国,在那里生长成晶体。

得到的球体和完美球形只有25纳米的距离,它也许迟早会撼动引力探测器B球体的“最圆”头衔。“如果你把我们这些球体放大到地球大小,你将会看到大约12~15毫米的微小涟漪,并且将只有3到5米的圆度变化。”澳大利亚联邦科学工业组织(CSIRO)的首席光学研究者阿奇姆·雷斯纳说。

现在这些球体已经完成制作了,不同国家的研究人员将尝试测量它们包含的确切原子数量,以获得关于什么是一千克质量的普遍标准。

李群E8

抛开物质世界的种种麻烦现实,数学家已经能够想象出极其对称的结构。例如李群E8就是一组248种不同类型的对称结构,适用于一个理论上的57维对象。这个结构在18世纪末就有理论推演,但直到最近,英国和德国的研究者才宣布制造出了一个物理系统,能在真实世界里代表E8的存在。

用线手绘的E8根系统,依据的是由密歇根大学数学家约翰·斯坦布里奇有名的计算机图形。图片来源:wikicommons

为了看到E8对称性,研究人员把由钴和铌制成的晶体冷却到接近绝对零度的温度。然后他们向该晶体施加磁场,当他们增加磁场的强度时,其中的电子自旋产生了一种模式,表明它们遵循E8结构。看到这种模式出现,不仅意味着我们有能力造出非常对称的东西——它也暗示在量子世界中有隐藏的对称性,而这种对称性决定着电子如何组织自己。

泰姬陵

大多数人永远不会和GP-B陀螺仪或硅-28千克球有什么关系。但如果他们去印度旅行,他们可以接触到一个极为对称的结构。泰姬陵是为皇帝沙贾汗掩埋死于分娩的妻子玛哈尔而建造的陵墓。 沙贾汗希望这个建筑代表和谐的关系,他要求建筑师设计两侧对称的效果。结果这个建筑从宏观规划一直到装饰的细节都包含着对称的细节。

泰姬陵 图片来源:wikicommons

泰姬陵通常被认为是建筑物对称的重要例子,但是很难确定所有建筑物中最对称的是哪个,因为有许多建筑师都在他们的设计中把对称性放在主要地位。事实上很长一段时间里,数学和建筑学本质上是相同的学科,而建筑师向来喜欢那些翻转之后依然不变的建筑。

黑曜石耳塞

即使使用当前技术,手工制造真正对称的东西也是困难的。这就是为什么这些据说有数百年历史的惊人对称的耳饰品被阴谋论者们紧盯不放,他们认为这些耳饰不可能在没有现代工具的辅助下手工制作出来。考古学家却未敢苟同。这些耳塞确实制作相当精美,但是它们并非由外星人或者使用现代机器的江湖骗子制造——制造者只是手艺极为精湛的阿兹台克人罢了。挖掘出耳塞作坊的考古学家说很多耳塞都是由石头、陶器和木制手工工具制作而成的。

玛雅男人和女人佩戴由骨头、木头、贝壳和石头(翡翠、黄玉、黑曜石)制成的鼻饰、耳塞和唇塞。 图片来源:Pinterest

“令人感到惊奇的不仅有他们拥有的技术和精确度,还有这些耳塞竟然没有损坏地保存至今。”北卡罗来纳州立大学的人类学家约翰·米哈瑟(John Millhauser)说。他们在墨西哥北部的扎热特昆发现了类似的耳塞。因此,虽然可能看起来超自然,但这些耳塞其实只是一个有关惊人手工技艺的事例。(编辑:Ent)

本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。 

编译来源

Nautilus, The Most Symmetrical Objects in the World

热门评论

  • 2017-03-17 10:15 子隐于斯

    有个疑问,理科生都不觉得“低了XX倍”、“减少XX倍”这种说法有问题的是吗?

    [31] 评论
  • 2017-03-16 12:06 qqoT

    后面两个和前面三个完全不是一个量级的……


    来自 果壳的壳
    [30] 评论
  • 2017-03-20 11:29 onlyu

    "玛雅男人和女人佩戴由骨头、木头、贝壳和石头(翡翠、黄玉、黑曜石)制成的鼻饰、耳塞和唇塞。"

    第一眼我还以为是用完的生料带

    [16] 评论

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全部评论(44)
  • 1楼
    2017-03-16 12:06 qqoT

    后面两个和前面三个完全不是一个量级的……


    来自 果壳的壳
    [30] 评论
  • 2楼
    2017-03-16 12:11 布拉德雷祭司的马甲
    引用@qqoT 的话:后面两个和前面三个完全不是一个量级的……

    不同时代,尺度嘛。


    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 3楼
    2017-03-16 12:59 光-1989

    10的负九次方米就是1纳米嘛


    [0] 评论
  • 4楼
    2017-03-16 14:59 operabug

    好久之前不就是说要重新定义千克吗?好几年了还没搞好?到底什么时候新定义生效?

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-03-16 15:15 天降龙虾

    那么,世界上最不对称的东西是什么???

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-03-16 18:01 黑徒
    引用@天降龙虾 的话:那么,世界上最不对称的东西是什么???

    男人和女人

    [5] 评论
  • 7楼
    2017-03-16 19:49 z1w1j
    引用@operabug 的话:好久之前不就是说要重新定义千克吗?好几年了还没搞好?到底什么时候新定义生效?

    貌似今年开大会决定

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-03-17 10:15 子隐于斯

    有个疑问,理科生都不觉得“低了XX倍”、“减少XX倍”这种说法有问题的是吗?

    [31] 评论
  • 9楼
    2017-03-17 10:51 喜欢新玩意儿_28941

    本人对这个实验有看法!我们知道:所有的陀螺仪当其自转轴与重力场线方向有夹角时必然会产生“进动现象”。当然,“进动角速度实测值”可能会与“理论计算值”不相符,但是怎么就能够说“这些陀螺仪可以测量广义相对论预测的两个现象:时空的曲率(测地线效应),以及大物体引起的时空扭曲(参考系拖拽)。”呢?这里面有一个理论体系的跨越呀。本人看过几本爱因斯坦相对论方面的书,倒是都提到“大质量物体能够使得其周围时空弯曲”但是从来没有说明为什么“大质量物体能够使得其周围时空弯曲”!要知道:“空间”与“时间”仅仅是抽象的物理概念,说白了它两个其实就是物理研究人员使用的“物理研究工具”!它们二者与“质量”这样一个物质实体物理概念之间不应该有什么相互影响相互联系的。具体点说:在这个实验中如果发生了“进动角速度实测值”与“理论计算值”不相符的情况我们也应该在“引力场弯曲”“其他的误差”等等等等中找原因而不应该说“证明了时空弯曲”呀!就像“海市蜃楼现象”证明“光线弯曲”但并没有证明“时空弯曲”一样不可以“生拉硬扯”的!所以说:我们时刻应该保持清醒、保持独立分析、避免从众行为!到最后再说证明了“大质量物体的确造成了其周围时空弯曲”也为时不晚吗。千万不要“先入为主”啊!

    [1] 评论
  • 10楼
    2017-03-17 15:12 阴月
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:本人对这个实验有看法!我们知道:所有的陀螺仪当其自转轴与重力场线方向有夹角时必然会产生“进动现象”。当然,“进动角速度实测值”可能会与“理论计算值”不相符,但是怎么就能够说“这些陀螺仪可以测量广义相对...

    请搜索“引力波”。

    [0] 评论
  • 11楼
    2017-03-17 17:50 喜欢新玩意儿_28941
    引用@阴月 的话:请搜索“引力波”。

    本人就是想说不要认为只有“引力波”这一个解释!况且“引力波”的解释存在理论体系跨界的自身问题。

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-03-17 19:30 阴月
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:本人就是想说不要认为只有“引力波”这一个解释!况且“引力波”的解释存在理论体系跨界的自身问题。

    如果你想当民科,请出门左转精神病院

    或者拿出实验证据

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-03-17 20:03 梧桐清声 生理学博士
    引用@子隐于斯 的话:有个疑问,理科生都不觉得“低了XX倍”、“减少XX倍”这种说法有问题的是吗?

    不,语文是体育老师教的理科生,才觉得这是没问题的

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-03-18 10:45 喜欢新玩意儿_28941
    引用@阴月 的话:如果你想当民科,请出门左转精神病院或者拿出实验证据

    这是一个关于物理理论正确与否的科学研究论坛而不是你进行人身攻击的场合!其实你这样说理不过就人身攻击反而表明你才是真正的“民科”!

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-03-18 22:30 姓胡的奇葩
    千克是最后一个还使用物理客体——一个由铂铱合金制成的圆柱体——而不是物理原理定义的单位。这个圆柱体被置于三层嵌套的钟罩里,目前就放在巴黎市外的一间有空调的地下掩体里。

    要是这时候突然有一个人把千克原器损坏了,这个世界以及人类的科学会发生什么?

    [0] 评论
  • 16楼
    2017-03-19 11:46 只玩星际战役
    引用@姓胡的奇葩 的话:要是这时候突然有一个人把千克原器损坏了,这个世界以及人类的科...

    还有好多个

    [0] 评论
  • 17楼
    2017-03-19 23:07 天魔龙魂
    引用@姓胡的奇葩 的话:要是这时候突然有一个人把千克原器损坏了,这个世界以及人类的科学会发生什么?

    好新奇的想法,我喜欢

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-03-20 10:40 巳时黛

    第一个可以用钱来衡量么?可以的话多少钱能买到?

    [1] 评论
  • 19楼
    2017-03-20 11:29 onlyu

    "玛雅男人和女人佩戴由骨头、木头、贝壳和石头(翡翠、黄玉、黑曜石)制成的鼻饰、耳塞和唇塞。"

    第一眼我还以为是用完的生料带

    [16] 评论
  • 20楼
    2017-03-20 12:14 司南9527
    引用@只玩星际战役 的话:还有好多个

    没任何问题,人类这么多年来也没有一个标准千克,不也混过来了。那玩意儿就是个收藏品。

    [1] 评论
  • 21楼
    2017-03-20 12:56 xml123
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:本人对这个实验有看法!我们知道:所有的陀螺仪当其自转轴与重力...

    A:(仅考虑引力作用下)光永远走直线(测地线),光在大质量物体附近会弯曲,说明质量会使空间产生扭曲。
    B:质量扭曲的不是空间本身,只是光路,光不一定走直线。
    这两种说法是等价的。第二种情况里质量扭曲的那个东西就是第一种里的“空间”。就像如果你研究球面上的几何,那它是非欧的,你非要把球面放到三维欧式空间里研究,也并没有本质的区别。

    [0] 评论
  • 22楼
    2017-03-20 12:58 xml123
    引用@姓胡的奇葩 的话:要是这时候突然有一个人把千克原器损坏了,这个世界以及人类的科...

    记不清在小说还是美剧里看过这种剧情。

    [0] 评论
  • 23楼
    2017-03-20 13:55 幼发拉底

    泰姬陵神道两边的树不对称,差评!

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-03-20 14:01 拼音佳佳2

    先定义摩尔常数,再由摩尔常数定义质量,可以一次性解决两个问题:

    1.摩尔常数测不准问题.本来是测不准的,现在直接定义一个数,它也就测准了.

    2.质量的定义问题.可以脱离具体实物的质量定义.即便原器被毁,只要技术还在,就能再制造一个出来.

    [0] 评论
  • 25楼
    2017-03-20 14:53 刘公子是小布尔乔亚

    看起来很不可思议

    [0] 评论
  • 26楼
    2017-03-20 15:27 听雨

    难道现在还需要用千克原器来校准其它东西?

    [0] 评论
  • 27楼
    2017-03-20 16:32 Mr.Tech 摄影爱好者,汽车专业学生
    引用@子隐于斯 的话:有个疑问,理科生都不觉得“低了XX倍”、“减少XX倍”这种说法有问题的是吗?

    翻译问题吧,估计源语言是英文,翻译的那位可能没有太注意这个。

    [0] 评论
  • 28楼
    2017-03-20 17:24 喜欢新玩意儿_28941
    引用@xml123 的话:A:(仅考虑引力作用下)光永远走直线(测地线),光在大质量物体附近会弯曲,说明质量会使空间产生扭曲。B:质量扭曲的不是空间本身,只是光路,光不一定走直线。这两种说法是等价的。第二种情况里质量扭曲的那个...

    你的说法是不对滴!请注意:“光”在“均匀的(就是那种四方格的样子)介质”中才能说是“延直线传播”!如果去掉了“均匀介质”这个前提“光”还能“延直线传播”吗?果真如此的话“海市蜃楼现象”又该任何解释呢?这个所谓的“测地线”是一个只存在于想象中的数学概念它不是一个物理世界存在的实物或者物理场,它怎么能够迫使光线弯曲呢?很明显这个说法在物理概念分析上讲是说不通的啊!说到“弯曲”在“大质量物体”周围“弯曲”的应该是“万有引力场”吧?谁告诉你“万有引力场的弯曲”而不是“电磁场弯曲(或者不均匀介质)”就能够造成“光线弯曲”呢?这里面是不是跨越了物理概念体系呀?因为我们确定无疑地知道“光”仅仅是一种特定频率段的“电磁波空间传播现象”,你能说清楚它是怎么样受“弯曲的引力场”或者“弯曲的测地线”的影响控制而弯曲的吗?或者说你能够在“费曼物理学讲义”中找到这方面的说明吗?找不到吧!那你如此斩钉截铁的概念是从哪里来的呢?

    [0] 评论
  • 29楼
    2017-03-20 22:57 razigriz

    悄悄说一声,建筑师喜欢对称的建筑是因为画图时只用画一半,然后镜像就搞定收工。

    [6] 评论
  • 30楼
    2017-03-21 00:15 麦子小杰
    引用@子隐于斯 的话:有个疑问,理科生都不觉得“低了XX倍”、“减少XX倍”这种说法有问题的是吗?

    ╮(╯▽╰)╭,我觉得有问题啊,但是我能看懂,做语病题就不能这样了

    [0] 评论

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Rose Eveleth
Rose Eveleth Rose Eveleth是一名住在布鲁克林区的制片人、设计师及作家,关注她的推特@roseveleth

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