La définition même d’une crystal repose sur la notion de symétrie: les atomes s’alignent très ordonné, en répétant en nid d’abeille motifs, et que la symétrie devrait être évident, selon la façon dont vous le regardez. Maintenant, les physiciens ont découvert un nouveau type de cristal inspiré par les orbites de satellites.
Comme décrit dans un nouvel article publié dans physical Review Letters, plutôt que d’exposer de symétrie dans la structure — la manière dont les atomes sont disposés de ce nouveau type de cristal de symétrie se trouve dans la façon dont les particules se déplacer. En fait, vous n’auriez probablement pas remarquer la symétrie d’une image du cristal. Seulement si vous avez fait un film qui a capturé tout ce qui atomique en mouvement dans le temps le caché “chorégraphie” enfin révéler à lui-même.
Latham Boyle, de la physique théorique à l’Institut Perimeter de Physique Théorique, à Waterloo, en Ontario, a trébuché sur cette étrange catégorie d’objets tout en les méditant, très différente de problème: comment améliorer les capacités de l’avenir de l’espace à base de détecteur d’ondes gravitationnelles — un possible héritier de la récemment lancé LISA Pathfinder. LISA est composé de trois satellites de fuite à la Terre tourne autour du soleil, les faisceaux laser qui rebondit en arrière de l’autre dans une formation triangulaire. Le passage d’une onde gravitationnelle serait de perturber la constante de communication, et la perturbation sera ramassé par des détecteurs sensibles.
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LISA est une belle expérience — Boyle est rapide à chanter ses louanges — mais il ne fait jamais de mal à trouver des idées pour de futures missions. Quatre satellites au lieu de trois permettrait de physiciens à déterminer plus précisément d’une onde gravitationnelle de l’amplitude (volume ou de la hauteur, si nous sommes en l’assimilant à un son ou d’une vague de l’océan), la polarisation (l’avion le long de laquelle il vibre), et de la direction qu’il est en voyage. Mais c’est beaucoup plus compliqué (et cher) défi d’ingénierie pour construire un tel instrument. Et comme Boyle bientôt découvert, trouver un symétrique à quatre orbite du satellite s’est avéré impossible.
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Finalement, il avait une percée: il essayait d’appliquer un statique (fixe) forme de symétrie dynamique (en mouvement) des objets. Que s’il pouvait trouver un correspondant de la dynamique de la symétrie? Pour Boyle surprise, il a travaillé. Il a constaté que les quatre satellites du système a une très forte dynamique de la symétrie — en fait, c’est un cousin du tétraèdre, le premier de l’Amicale des solides.
LISA trois satellites peuvent sembler être en orbite autour de l’autre, mais c’est le résultat d’une illusion d’optique. Ils sont vraiment tous en orbite autour du soleil, “avec leurs orbites habilement disposés de sorte qu’ils approximativement la forme d’un triangle équilatéral à tout moment,” Boyle a dit Gizmodo. “La même chose est vraie de notre très symétrique de quatre satellites en orbite; les quatre satellites sont vraiment sur quatre indépendant des orbites circulaires autour d’un corps central.”
À partir de là, il s’était accroché. “J’ai réalisé que c’était un super objet intéressant dans son propre droit — plus intéressant que le problème d’origine qui m’avait amené à elle,” dit-il. “J’ai donc cesser de penser à la détection d’ondes gravitationnelles, et la place a commencé à réfléchir à savoir si je pouvais trouver d’autres orbites de satellites qui ont été symétrique dans cette intéressante nouvelle façon.”
Boyle est arrivé de mentionner la découverte d’une dynamique analogue à la tétraèdre à une visite d’un cosmologiste nommé Kendrick Smith (maintenant un membre de la faculté à Périmètre), en se demandant à voix haute si peut-être il y avait d’autres orbites correspondant au reste de l’Amicale des solides. Smith est venu avec une ingénieuse solution mathématique à identifier toutes les possibles symétrique orbites, quel que soit le nombre de satellites. Ils ont baptisé leur symétrique par satellite essaims.
Il se résume à un phénomène plus général que Boyle appels chorégraphique de l’ordre. Et c’est applicable non seulement à des systèmes à satellites spatiaux, mais aussi pour la modélisation de la structure microscopique des matériaux cristallins de la Terre lié laboratoires — une classe de soi-disant chorégraphique cristaux.
“Au lieu de considérer des danses exécutées par des satellites en orbite circulaire autour du soleil, on pourrait plutôt penser à des analogues des danses exécutées par des électrons ou des noyaux film à travers un espace 2D ou 3D le long de la ligne droite des trajectoires, des” Boyle a déclaré. “Et les mêmes techniques mathématiques qui nous permettent de trouver systématiquement tous les chorégraphié des orbites de satellites pourrait également être utilisé pour trouver tous ces plus générale danses chorégraphiées.” Comme Phillip Balle écrit à la Physique de l’Accent:
[I]magine deux patineurs déplacent simultanément nord-sud et est-ouest à travers le centre d’un carré de la patinoire et à plusieurs reprises de renverser le cours quand ils atteignent les bords. Les patineurs ont une plus grande chorégraphie si ils se déplacent hors de la phase—on atteindre le bord, tandis que l’autre passe par le centre—que si elles sont en phase, en passant par le centre à l’instant même. Dans le premier cas, les mouvements de capture de la totalité de la symétrie d’un carré parce que le même ensemble de rotations et réflexions, ainsi que le temps des changements, allez quitter le système inchangé. Le deuxième cas a moins de symétries. En général, dit Boyle, il existe un très grand nombre de chorégraphiques cristaux, mais seuls quelques-uns ont de très haute chorégraphie.
Jusqu’à présent, chorégraphique cristaux restent principalement des objets mathématiques, mais Boyle et Smith pense que ces structures pourraient être trouvés dans la nature. Leur papier propose même une simple expérience de diffraction pour les trouver, car il ne révèle pas seulement la façon dont les atomes sont disposés dans l’espace, dans un cristal, mais la façon dont ces atomes se déplacent au fil du temps. Ou peut-être ils pourraient être produites artificiellement.
Et à penser que tout a commencé avec le fait d’essayer de concevoir un meilleur détecteur d’ondes gravitationnelles. “C’est comme nous avons suivi un sentier de brillant des choses sur la terre jusqu’à ce que, un an plus tard, nous avons levé les yeux et constaté que nous étions arrivés quelque part, très intéressant, mais très loin de l’endroit où nous avons commencé”, a déclaré Boyle.
Référence:
Boyle, L., Avec J.-Y., et Smith, K. (2016) “Symétrique par satellite essaims et chorégraphique cristaux”, physical Review Letters 116: 015503.
Images: Boyle et al./L’Institut Perimeter