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
全部评论(45)
  • 31楼
    2017-03-21 01:35 影山
    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?

    非要较真的话,那大气压每天都不一样,kg原器的重量怎么可能保持一致

    [0] 评论
  • 32楼
    2017-03-21 07:59 437117642
    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?

    不是理科生的我也是一脸茫然

    [0] 评论
  • 33楼
    2017-03-21 08:47 70米深的阳光

    我一直在思考一个问题,为什么不能把1kg定义为 20度下 一立方分米轻水 的质量?

    [1] 评论
  • 34楼
    2017-03-21 09:14 xml123
    引用@70米深的阳光 的话:我一直在思考一个问题,为什么不能把1kg定义为 20度下 一...

    1kg是这样来的(实际是4度,而且一立方米是一吨),但是不能这样定义,因为这样定义你必须加上一标准大气压的限制,但是气压显然要在质量定义之后才能定义。

    [0] 评论
  • 35楼
    2017-03-21 09:57 子隐于斯
    引用@麦子小杰 的话:╮(╯▽╰)╭,我觉得有问题啊,但是我能看懂,做语病题就不能这样了

    那我问你,100低了1倍是多少,减少100倍又是多少?

    [0] 评论
  • 36楼
    2017-03-21 12:51 strong_zhang
    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?

    我是懒得理这些错误了,同样还有网络上的错别字,以前是看到就头疼加鄙视的。

    不过果壳在这两方面做得还算不错了

    [1] 评论
  • 37楼
    2017-03-21 13:08 胡子茬gg

    紫禁城秒杀泰姬陵

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  • 38楼
    2017-03-21 17:44 不知道取什么名
    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?


    我小时候就看到《我们爱科学》上说要重新定义千克了(暴露年龄)

    [0] 评论
  • 39楼
    2017-03-21 19:24 萌得不能再萌

    应该是

    水滴

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  • 40楼
    2017-03-22 14:48 我为果壳续一秒
    引用文章内容:比这更完美的球体只有中子星

    黑洞不服


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  • 41楼
    2017-03-22 22:26 夙孰繁

    我特别关心那个耳塞怎么用……我还以为是戒指好么……

    [0] 评论
  • 42楼
    2017-03-23 11:23 当年是正太

    泰姬陵的树并没有对称啊~~~~

    [0] 评论
  • 43楼
    2017-03-26 22:04 文子安
    引用@喜欢新玩意儿_28941 的话:你的说法是不对滴!请注意:“光”在“均匀的
    1.光是粒子也是波,在运动过程中除最短路程外其他可能都自我消除了,无额外作用下,光直线运动。(可以搜索最近的自然杂志)
    2.大质量物体产生的引力场会扭曲空间,空间内物质运动受引力影响,光也是物质,再在空间内运动同样受到引力影响。


    2222


    [0] 评论
  • 44楼
    2017-03-27 11:57 喜欢新玩意儿_28941
    引用@文子安 的话: 2222

    (1)就知道你会像大多数人那样说“光是粒子也是波”。这是从教科书上学来的,不知是否经过你自己的独立思考和清醒理解吗?对于这个问题本人是这样理解的:“光的波粒二象性”是物理学中一个比较难以理解的理论,是有关“光”的很多物理实验结果只用“波动说”或者只用“粒子说”都没有能全面准确解释这些有关“光”的很多实验结果后的妥协办法,是一个矛盾并列的无奈之举。每当物理学习学到这一部分学生们都会反映“难以理解”!
    本人这里提一个思路看能不能走出这个圈去。实际上当“光”在电磁场空间中(或者什么透明介质中)传播时表现出来的从来就都只是“波动性”!哪怕是在两种透明介质的分界面传播过去时也只是表现出“波动性”!更不要说“干涉”与“衍射”时候了!也就是说:有并且仅仅只有“光”一个物理概念出现时从来都只有“波动性”的表现而没有其它任何说法!此时绝对不能用“粒子说”来做任何解释,否则必然错误!那为什么一但传播到“金属”表面发生“光电效应”时就表现出“粒子性”了呢?请仔细分析一下:这时候,实际上已经不单是“光”一家子的事了,是一个复杂的能量转换过程!这首先是光将电磁场波动能量传递给金属原子,金属原子的核外电子将会吸收一部分能量进行能极跃迁,如果吸收的能量高于这个金属原子核外电子摆脱“原子能量陷”所需要的“逸出功”时就会产生出“光电子”从而产生“光电效应”。你瞧,问题就出在这个“金属原子的核外电子吸收电磁场波动能量然后产生光电子”的过程中。我们知道:金属原子的核外电子能够“逸出”是有“量子性”要求的。应该是“金属原子”自身的“粒子性(量子性)”才造成了“光电效应”的“粒子性”的呀。不应该说“光的波动说”无法解释“光电效应”!这样不是就没有“波动说与粒子说的矛盾”了吗?
    所以本人认为:“光”就是一种电磁波而不是其它!

    另外想问的是:你那个“额外作用”是怎么回事?难不成完全是数学意义下的“四维时空”能够产生“物理作用”吗?

    (2)“大质量物体产生的引力场会扭曲空间”有物理解释吗?本人看过好几本相对论书籍都没有找到物理解释,你是从哪里看到的呢?

    应该说:大质量物体能够产生的是引力场扭曲,怎么一下子就跨界跳跃到“时空”去了呢?请问你清醒独立地思考过这合乎物理概念分析吗?或者你在爱因斯坦先生的书籍、费曼物理学讲义中看到过答案吗?反正本人从来没有看到过。那这到底是怎么一回事呢?

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  • 45楼
    2017-04-04 00:26 70米深的阳光
    引用@xml123 的话:1kg是这样来的(实际是4度,而且一立方米是一吨),但是不能...

    那咱们换个思路,用阿夫加德罗常数个碳12原子的12分之一来定义克?

    [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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