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立方体!碎片也有普遍规律

2020-07-29 中国科学报
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  近日,研究人员在美国《国家科学院院刊》上报告称,不论是冰山还是岩石,当它们破碎时,碎片往往像立方体。这一发现表明,从微观到宏观都存在普遍的碎裂规律。

  “这是纯数学、材料科学和地质学的结合。”未参与该研究的美国普林斯顿大学化学和生物工程师Sujit Datta说。

  这一发现建立在匈牙利布达佩斯技术与经济大学数学家Gábor Domokos之前的工作基础上。2006年,Domokos帮助证明了冈布茨的存在。冈布茨只有一个稳定和一个不稳定平衡点,无论以任何角度将冈布茨放置在水平面上,它都可以自行回到其稳定点。在随后的工作中,Domokos及同事发现,被冲刷的鹅卵石和被风吹来的沙粒等实体,往往会被侵蚀成冈布茨形状,而不会达到理想形状。

  Domokos团队转换了方向——研究岩石是如何产生的。他们开始在计算机模拟中“分割”一个抽象立方体,方法是将50个二维平面以随机角度插入该立方体。这些平面将立方体切割成60万个碎片,平均而言,这些碎片本身就是立方体。也就是说,这些碎片有6个四边形,尽管任何单个的碎片不一定是立方体。这一结果使研究人员怀疑立方体可能是碎裂的共同特征。

  之后,研究人员选择了匈牙利布达佩斯Hármashatárhegy山上的一块白云石,并计算石头表面裂缝中的顶点数量。不管这些裂缝是自然风化还是人为造成的,大部分裂缝都形成了方块状,是立方体的一个侧面。

  最后,该团队利用更强大的超级计算机来模拟三维材料在理想状态下的破裂过程——就像一块岩石在各个方向被同等地拉动。研究人员表示,一般意义上,这种情况下形成的多面体碎片是立方体。

  怀疑者可能会指出,自然界中的许多东西并没有分裂成立方体。该论文通讯作者之一、美国宾夕法尼亚大学地球物理学家Douglas Jerolmack说,这是因为真实的材料并不是模拟中发现的理想化状态,它们通常包含有利于非立方破坏的内部结构或特性。例如,云母脱落成薄片是因为它的某一个方向弱于其垂直方向。

  Jerolmack补充说,这些发现可以帮助水文学者预测地下裂缝中流动的流体,或者帮助地质学家计算悬崖表面危险岩石的大小。

  德国地球科学研究中心地质学家Anne Voigtl?覿nder说:“你需要对地球表面过程有抽象的理论观点,才能真正挖掘其中的含义。对地质学家来说,有时很难理解它的价值,或者知道它适用于何处。”

  相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2001037117

打印 责任编辑:侯茜

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