Selve definisjonen av en krystall baserer seg på forestillingen om symmetri: atomer linje opp i svært bestilt, gjenta honeycomb mønstre, og at symmetri bør være tydelig hvilken vei du ser på det. Nå fysikere har snublet over en ny type crystal inspirert av banene av satellitter.
Som beskrevet i en ny artikkel i Physical Review Letters, heller enn å stille symmetri i struktur — måten de atomene er ordnet — denne nye typen av crystal symmetri ligger i hvordan dets partikler flytte. Faktisk, er du sannsynligvis ikke legge merke til symmetrien i det hele tatt i et stillbilde av krystall. Bare hvis du har laget en film som fanget alle som atomic bevegelse over tid ville det skjulte “koreografi” endelig avsløre seg selv. Det er en type “translational symmetri.” Hvis du kan dele en struktur i en sekvens av identiske figurer, som en bakgrunn grensen mønstret med en rett linje av stemplet identiske biler, har du en translasjon symmetri.
Latham Boyle, en teoretisk fysiker ved Perimeter Institutt for Teoretisk Fysikk i Waterloo, Ontario, snublet over denne merkelige klasse av objekter mens grunnet et helt annet problem: hvordan du kan forbedre mulighetene for en fremtidig plass-basert gravitasjonsfelt bølge detektor — en mulig arving til den nylig lansert LISA Pathfinder. LISA består av tre satellitter etterfølgende Jorden som den går i bane rundt solen, spretter laserstråler frem og tilbake til hverandre i en trekant formasjon. En passerer gravitasjonsfelt bølge ville forstyrre at konstant kommunikasjon, og avbrudd ville bli plukket opp av svært følsomme detektorer.
http://gizmodo.com/heres-why-find…
Hvorfor Finne gravitasjonsbølger Ville Være en så Big Deal
Hvorfor Finne gravitasjonsbølger Ville Være en så Big Deal
Hvorfor Finne gravitasjonsbølger Ville Være Slik en Bi
Denne morgenen, Internett brøt ut med rykter om at fysikere har endelig observert gravitasjonsfelt…
Les mer Les mer
LISA er en vakkert designet eksperiment — Boyle er raske til å synge sin lovprisning — men det aldri vondt å utveksle ideer for fremtidige oppdrag. Å ha fire satellitter i stedet for tre vil gjøre det mulig for fysikere til mer nøyaktig bestemme et gravitasjonsfelt wave ‘ s størrelse (volum og høyde, hvis vi er likening det til et lyd-eller ocean wave), polarisasjon (planet langs den vibrerer), og fra hvilken retning er det du er på reise. Men det er en mye mer komplisert (og dyre) teknisk utfordring å bygge et slikt instrument. Og som Boyle snart oppdaget, å finne en symmetrisk fire-satellitt-bane viste seg å være umulig.
Sponset
Til slutt hadde han et gjennombrudd: han prøvde å bruke en statisk (fast) form for symmetri for å dynamiske (flytte) objekter. Hva om han kunne finne en tilsvarende dynamisk symmetri? Til Boyles overraskelse, det fungerte. Han fant at fire-satellitt system har en svært høy dynamisk symmetri — det er faktisk en fetter til tetrahedrons, den første av Platonisk heldekkende objekter.
LISA er tre satellitter for at du kanskje kan synes å være i bane rundt hverandre, men dette er resultatet av en optisk illusjon. De er egentlig alle som går i bane rundt solen, “med sine baner smart arrangert slik at de tilnærmet danner en likesidet trekant til alle tider,” Boyle fortalte Gizmodo. “Det samme gjelder for våre svært symmetrisk fire-satellitt-bane; de fire satellitter er virkelig på fire uavhengige sirkulære baner rundt et sentralt organ.”
Fra da av, var han hektet. “Jeg skjønte det var en super interessant objekt i sin egen rett — mer interessant enn det opprinnelige problemet som hadde ført meg til det,” sa han. “Så jeg sluttet å tenke på gravitasjonsfelt bølge oppdagelse, og i stedet begynte å tenke på om jeg kunne finne noen andre satellitt-baner som var symmetriske i dette interessant ny måte.”
Boyle har skjedd for å nevne hans oppdagelse av en dynamiske analog til tetrahedrons til et besøk cosmologist navnet Kendrick Smith (nå ansatt ved Omkretsen), og lurer på høyt om det kanskje var det andre slike baner tilsvarende til resten av Platonisk heldekkende objekter. Smith kom opp med en genial matematisk løsning for å identifisere alle mulige symmetrisk rundt, uavhengig av antall satellitter. De døpte dem symmetrisk satellitt-svermer.
Det hele koker ned til et mer generelt fenomen at Boyle samtaler koreografiske ordre. Og det gjelder ikke bare til verdensrommet-basert satellitt-systemer, men også for å modellere den mikroskopiske struktur av krystallinske materialer i jordbundne laboratories — en klasse av såkalte koreografiske krystaller.
“Stedet for å vurdere danser utført av satellitter i en sirkulær bane rundt solen, kunne vi i stedet tenke på analogt danser utført av elektroner eller-kjerner film gjennom 2D-eller 3D-plass langs rett linje baner,” sa Boyle. “Og den samme matematiske teknikker som lar oss systematisk finn alle de koreograferte satellitt-baner kan også brukes til å finne alle disse mer generelle koreograferte danser.” Som Philip Ball skriver på Fysikk Fokus:
[Jeg]magine to løperne beveger samtidig nord-sør og øst-vest gjennom sentrum av en firkant rink og gjentatte ganger for å reversere kurs når de kommer i kantene. Løperne har en høyere koreografi hvis de flytter ut av fase—en å nå kanten mens den andre går gjennom midten, enn hvis de er i fase, passerer gjennom midten på samme øyeblikk. I det første tilfellet, den beveger seg fange full symmetri av en firkant fordi samme sett av rotasjoner og speilinger, sammen med tid skift, vil forlate systemet uendret. Det andre tilfellet har færre symmetrier. Generelt, sier Boyle, det er et veldig stort antall koreografiske krystaller, men bare et fåtall har svært høy koreografi.
Så langt, koreografiske krystaller igjen først og fremst matematiske objekter, men Boyle og Smith tror slike strukturer kan bli funnet i naturen. Deres papir selv foreslår en enkel diffraksjon eksperimentere for å finne dem, fordi det vil avsløre ikke bare hvordan atomene er ordnet på plass i en krystall, men hvordan disse atomene beveger seg over tid. Eller kanskje de kunne bli produsert kunstig.
Og tror det hele startet med å prøve å designe et bedre gravitasjonsfelt bølge-detektor. “Det er som vi fulgte en sti av sparkly ting på bakken inntil ett år senere, vi så opp og fant ut at vi var kommet til et sted som er veldig interessant, men svært langt fra der vi begynte,” sa Boyle.
Referanse:
Boyle, L., Khoo, J. Y., og Smith, K. (2016) “Symmetrisk satellitt-svermer og koreografiske krystaller,” Physical Review Letters 116: 015503.
Bilder: Boyle et al./Perimeter Institutt