科学家发现,无论是冰山、岩石、冰块、水泥或各种固体物品,一旦破碎就容易变成方块状的立方体。这个发现表明,微观和宏观的破碎存在一种普遍规律。
未参与研究的普林斯顿大学化学与生物工程师 Sujit Datta 评论说,这是纯粹数学、材料科学与地质学的美丽组合。
这项研究是基于布达佩斯科技经济大学数学家 Gábor Domokos 先前的发现,他于2006年证明了“gömböc”的存在。“gömböc”的形状与宝石相似,它仅有一个稳定与不稳定的平衡点。
无论把“gömböc”怎么放,它总是停在完全相同的位置,不像其他形状可以随意摆放停在想要的位置。
Domokos 在随后的研究发现,像顺流而下的鹅卵石或随风飘荡的沙粒,往往以趋向“gömböc”的形状被侵蚀,但从未达到理想的形状,“gömböc”是大自然的一部分,但要变成它只是一个梦想。
接着,他与研究团队把焦点转向破碎过程的另一面——岩石如何产生。他们开始用计算机仿真一个抽象立方体的“破碎”过程,方法是用50个2D 平面以随机角度将其切割出60万个碎片。
平均来说,这些碎片几乎都被切割为立方体,也就是平均有六个四边形的面。这个结果让科学家推测,立方体或许是破碎的共同特征。
科学家尝试从现实中的观测证实。他们前往匈牙利布达佩斯 Hármashatáhegy 山上一块露出地表的白云石,并计算石头表面裂缝的顶点数量。无论这些裂缝是自然风化或人为炸山造成,裂缝大部分都形成了近似方形的形状,也就是立方体的其中一面。
最后,研究团队使用运算能力更强的超级电脑,模拟3D 材料在理想状态时的破碎过程——比如从所有方向均匀拉动一块石头。
发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)的论文表明,这种情况下所形成的多面体碎片平均来说也是立方体。
质疑者可能会提到,自然界的许多物体并没有破碎成立方体。例如,云母等矿物剥落呈现片状,而包括北爱尔兰巨人堤道在内的玄武岩结构则破碎成六角形柱状。
宾夕法尼亚大学地球物理学家、该研究的共同作者 Douglas Jerolmack 指出,这是由于现实中的材料并不会是模拟时的理想形式,通常还有其他破坏内部结构或特性导致碎片并非立方体的因素。
例如,云母剥落之所以呈现片状,是因为它在一个方向上比在垂直方向上还脆弱,他说,但以统计学的平均意义来看,岩石的产生总是近似于立方体。
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