Die definition von crystal stützt sich auf den Begriff der Symmetrie: die Atome in hohem Grade bestellt, wiederholen Waben-Muster, und, dass die Symmetrie sollte klar sein, in welcher Art und Weise man es betrachtet. Jetzt haben Physiker stolperte über eine neue Art von Kristall-inspiriert durch die Umlaufbahnen der Satelliten.
Wie beschrieben, in einem neuen Papier in Physical Review Letters, statt mit Symmetrie in der Struktur — der Weg in seine Atome angeordnet sind — diese neue Art von Kristall-Symmetrie liegt darin, wie die Partikel bewegen. In der Tat, werden Sie wahrscheinlich nicht bemerken würde die Symmetrie an alle, die in einem Bild des Kristalls. Nur, wenn Sie einen Film, der gefangen alle, die Atomare Bewegung im Laufe der Zeit würde die versteckten “Choreographie” schließlich selbst offenbaren.
Latham Boyle, theoretischer Physiker an der Perimeter-Institut für Theoretische Physik in Waterloo, Ontario, stolperte über dieses seltsame Klasse von Objekten, während ich über ein ganz anderes problem: wie verbessern Sie die Fähigkeiten eines künftigen Raum-basierte Gravitationswellen-Detektor — eine mögliche Erben des vor kurzem LISA Pathfinder. LISA besteht aus drei Satelliten Hinterkante der Erde um die Sonne dreht, Prellen Laserstrahlen hin und her zu einander in Form eines Dreiecks. Eine Weitergabe Gravitationswellen stören würde, dass eine ständige Kommunikation, und die Störung wäre abgeholt hochempfindliche Detektoren.
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LISA ist eine schön gestaltete experiment — Boyle ist schnell zu singen sein Lob — aber es schadet nie, um Brainstorming Ideen für zukünftige Missionen. Mit vier Satelliten statt drei würde es ermöglichen, Physiker, genauer bestimmt ein Gravitations-Wellen-amplitude (Ihr Volumen oder Höhe, wenn wir verglich es ein sound-oder ocean wave), Polarisation (die Ebene, auf denen es vibriert), und aus welcher Richtung er unterwegs ist. Aber es ist ein viel komplizierter (und teurer) technische Herausforderung zu bauen, ein solches instrument. Und wie Boyle entdeckte bald, finden Sie eine symmetrische vier-Satelliten-orbit erwies sich als unmöglich.
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Schließlich hatte er es geschafft: er war versucht, eine statische (Feste) form der Symmetrie, um dynamische (bewegten) Objekten. Was, wenn er Sie finden konnte, eine entsprechende dynamische Symmetrie? Zu Boyles überraschung, es hat funktioniert. Er fand, dass ein vier-Sat-system hat eine sehr hohe dynamische Symmetrie — in der Tat, es ist ein cousin der Tetraeder, der erste der platonischen Körper.
LISA ‘ s drei Satelliten erscheinen mag, umkreisen einander, aber dies ist das Ergebnis einer optischen illusion. Sie sind wirklich alle, die die Sonne umkreisen, “mit Ihren Umlaufbahnen geschickt so angeordnet, dass Sie etwa ein gleichseitiges Dreieck bilden, zu allen Zeiten,” Boyle erzählt Gizmodo. “Das gleiche gilt für unsere sehr symmetrisch vier-Satelliten-orbit; die vier Satelliten sind wirklich auf vier unabhängige kreisförmigen Bahnen um einen zentralen Körper.”
Von da an, war er begeistert. “Ich erkannte, es war eine super interessante Objekt in seinem eigenen Recht — viel interessanter als das ursprüngliche problem, das mich dazu bewogen hat”, sagte er. “Also ich aufhören darüber nachzudenken, Gravitationswellen-Erkennung, und stattdessen begann darüber nachzudenken, ob ich finden konnte, alle anderen satellitenbahnen, die waren symmetrisch zu dieser interessanten neuen Weg.”
Boyle passiert zu schweigen von seiner Entdeckung eines dynamischen analog zu den Tetraeder zu einem Besuch Kosmologe namens Kendrick Smith (jetzt ein Mitglied der Fakultät an der Perimeter), Fragen laut, ob vielleicht gab es noch andere solche Bahnen entsprechend dem rest der platonischen Körper. Smith kam mit einem ausgeklügelten mathematischen Lösung, um alle möglichen symmetrischen Bahnen, unabhängig von der Anzahl der Satelliten. Sie nannte Sie symmetrischen Sat-Schwärme.
Es läuft alles auf ein allgemeineres Phänomen, dass Boyle Anrufe choreografische um. Und es ist anwendbar, nicht nur auf Weltraum-Satelliten-Systeme, aber auch für die Modellierung der mikroskopischen Struktur von kristallinen Materialien in der Erde gebunden Laboratorien — eine Klasse von sogenannten choreografische Kristalle.
“Anstatt zu überlegen, Tänze Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahn um die Sonne, wir könnten stattdessen denken Analog Tänze Elektronen oder Kerne Film durch 2D-oder 3D-Raum entlang der geraden Bahnen,” Boyle sagte. “Und die gleiche mathematische Techniken, lassen Sie uns systematisch finden Sie alle choreographiert satellitenbahnen könnte auch verwendet werden, um sich auf diesen mehr Allgemeinen choreographierte Tänze”. Als Phillip Ball schreibt in Physik Fokus:
[I]denken zwei Skater in Bewegung Nord-Süd und Ost-west-Richtung durch die Mitte eines quadratischen rink und immer wieder wendestrecke, wenn Sie an den Kanten. Die Skater haben eine höhere Choreografie, wenn Sie sich bewegen out-of-phase—one-erreichen der Kante, während der andere geht durch die Mitte—als wenn Sie in der phase, die durch die zentrale im selben Augenblick. Im ersten Fall, die Bewegungen erfassen die volle Symmetrie von einem Quadrat, weil Sie den gleichen Satz von Drehungen und Spiegelungen, zusammen mit der Zeit verschiebt, wird das system verlassen unverändert. Der zweite Fall hat weniger Symmetrien. Im Allgemeinen, sagt Boyle, es gibt eine sehr große Anzahl von choreografischen Kristalle, aber nur wenige haben eine sehr hohe Choreographie.
So weit, choreografische Kristalle bleiben in Erster Linie mathematische Objekte, aber Boyle und Smith denke, solche Strukturen könnten in der Natur gefunden werden. Ihre Papier selbst schlägt eine einfache Beugung experiment, um Sie zu finden, denn es würde zeigen nicht nur, wie die Atome angeordnet sind, in Raum im Kristall, die aber, wie diese Atome bewegen sich im Laufe der Zeit. Oder vielleicht könnten Sie künstlich hergestellt werden.
Und zu denken, es begann alles mit dem Versuch, design besser Gravitationswellen-Detektor. “Es ist wie wir folgten einer Spur von glitzernden Dinge auf dem Boden, bis, ein Jahr später, wir suchten und fanden, dass wir angekommen waren irgendwo sehr interessant, aber sehr weit von dort, wo wir angefangen haben”, sagte Boyle.
Referenz:
Boyle, L., Khoo, J. Y., und Smith, K. (2016) “Symmetrischen Sat-Schwärme und choreografische Kristalle,” Physical Review Letters 116: 015503.
Bilder: Boyle et al./Perimeter-Institut