La definizione di un cristallo, si basa sul concetto di simmetria: gli atomi di linea in un contesto molto ordinato, ripetendo a nido d’ape, e che la simmetria dovrebbe essere evidente in qualunque modo la si guardi. Ora i fisici hanno inciampato su un nuovo tipo di cristallo ispirato le orbite dei satelliti.
Come descritto in una nuova carta in Physical Review Letters, piuttosto che esporre la simmetria nella struttura — il modo in cui gli atomi sono disposti in questo nuovo tipo di cristallo simmetria sta nel modo in cui le particelle si muovono. In realtà, probabilmente non notare la simmetria a tutti in un fermo immagine del cristallo. Solo se hai fatto un film che ha catturato tutti che atomic movimento nel tempo avrebbe nascosto “coreografia” finalmente rivelare se stesso. Si tratta di un tipo di “simmetria traslazionale.” Se è possibile dividere una struttura in una sequenza di figure identiche, come un confine carta da parati a fantasia con una linea retta di timbro identico auto, si ha una simmetria traslazionale.
Latham Boyle, un fisico teorico presso il Perimetro Istituto di Fisica Teorica di Waterloo, Ontario, incappato in questo strano classe di oggetti riflettendo un problema molto diverso: come migliorare le funzionalità di un futuro basato sullo spazio rivelatore di onde gravitazionali — un possibile erede al recentemente lanciato LISA Pathfinder. LISA è composto da tre satelliti finali la Terra orbita intorno al sole, raggi laser rimbalza avanti e indietro tra di loro in una formazione triangolare. Un passaggio di un’onda gravitazionale sconvolgerebbe che una comunicazione costante e la rottura sarebbe preso da molto sensibili rivelatori.
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LISA è un bellissimo esperimento — Boyle è pronto a cantare le sue lodi — ma non fa mai male brainstorming di idee per le future missioni. I quattro satelliti invece di tre vorresti attivare i fisici più precisamente determinare un’onda gravitazionale dell’ampiezza (volume o l’altezza, se vogliamo paragonarla a un suono o di un onda di mare), la polarizzazione (il piano lungo il quale vibra), e dalla direzione in cui si sta viaggiando. Ma è molto più complicato (e costoso) ingegneria sfida per costruire un tale strumento. E come Boyle presto scoperto, la ricerca di un simmetrico quattro in orbita di satelliti dimostrato impossibile.
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Alla fine ha avuto una svolta: stava cercando di applicare una statico (fisso) forma simmetria dinamica (in movimento) oggetti. Se potesse trovare un corrispondente dinamica di simmetria? Per Boyle sorpresa, ha funzionato. Ha trovato che quattro-sistema satellitare ha una dinamica molto alta simmetria, infatti, è un cugino del tetraedro, il primo dei solidi Platonici.
LISA tre satelliti potrebbe sembrare orbitano una attorno all’altra, ma questo è il risultato di un’illusione ottica. Sono davvero tutti in orbita intorno al sole“, con le loro orbite sapientemente disposti in modo che essi circa la forma di un triangolo equilatero in tutti i tempi,” Boyle ha detto Gizmodo. “Lo stesso vale per i nostri molto simmetrica quattro in orbita di satelliti; i quattro satelliti sono davvero indipendente su quattro orbite circolari intorno ad un corpo centrale.”
Da allora in poi, era agganciato. “Ho capito che era un super interessante oggetto — più interessante del problema originale che mi aveva portato ad esso,” ha detto. “Così ho smesso di pensare di onde gravitazionali di rilevamento e, invece, ho cominciato a pensare se ho potuto trovare qualsiasi altro orbite satellitari che sono stati simmetrica in questo nuovo e interessante.”
Boyle è accaduto a parlare della sua scoperta di una dinamica analogico al tetraedro a un viaggio cosmologo denominato Kendrick Smith (ora un membro di facoltà presso Perimetro), chiedo ad alta voce se forse c’erano altri tali orbite corrispondenti per il resto dei solidi Platonici. Smith si avvicinò con una geniale soluzione matematica per identificare tutte le possibili simmetrica orbite, indipendentemente dal numero di satelliti. Hanno rovinato il loro simmetrica satellitare sciami.
Tutto si riduce a un fenomeno più generale, che Boyle chiamate coreografico ordine. Ed è applicabile non solo per lo spazio, sistemi satellitari ma anche a modellare la struttura microscopica dei materiali cristallini in legato alla Terra, con laboratori di classe dei cosiddetti coreografico cristalli.
“Invece di prendere in considerazione danze eseguite dai satelliti in orbita circolare intorno al sole, si potrebbe invece pensare di analogo danze eseguite da elettroni e nuclei film attraverso spazio 2D o 3D lungo rettilineo traiettorie,” Boyle ha detto. “E le stesse tecniche matematiche che ci sistematicamente trovare tutte le coreografie orbite satellitari potrebbe anche essere utilizzato per trovare tutti questi, più generale, balli coreografici.” Come Phillip Palla scrive in Fisica di messa a Fuoco:
[I]magine due pattinatori muoversi simultaneamente nord-sud ed est-ovest attraverso il centro di un quadrato di pattinaggio e ripetutamente inversione di rotta quando hanno raggiunto i bordi. I pattinatori hanno una maggiore coreografia se si spostano fuori fase di sviluppo, raggiungendo il bordo, mentre l’altro passa attraverso il centro—che se non sono in fase, passando per il centro, nello stesso istante. Nel primo caso, le mosse acquisire la piena simmetria del quadrato, perché la stessa serie di rotazioni e riflessioni, insieme con il tempo turni, lascerà il sistema invariato. Il secondo caso ha un minor numero di simmetrie. In generale, dice Boyle, c’è un numero molto grande di coreografico cristalli, ma solo pochi hanno molto alta coreografia.
Finora, coreografico cristalli rimangono principalmente oggetti matematici, ma Boyle e Smith pensare tali strutture potrebbero essere trovati in natura. La loro carta propone anche un semplice esperimento di diffrazione di trovare loro, in quanto si rivelerebbe non solo di come gli atomi sono disposti nello spazio all’interno di un cristallo, ma come coloro che gli atomi si muovono nel tempo. O forse si potrebbe essere prodotto artificialmente.
E pensare che tutto è iniziato con il tentativo di migliorare il rivelatore di onde gravitazionali. “È come abbiamo seguito un sentiero di luccicanti cose sulla terra fino a quando, un anno dopo, abbiamo cercato e trovato che era arrivato in un posto molto interessante, ma molto lontano da dove siamo partiti”, ha detto Boyle.
Riferimento:
Boyle, L., Khoo, J. Y., e Smith, K. (2016) “Simmetrica satellitare sciami coreografico e cristalli,” Physical Review Letters 116: 015503.
Immagini: Boyle et al./Perimetro Istituto