立方體!碎片也有普遍規律

2021-01-09 手機鳳凰網

作者 | 辛雨

白雲石的掃描電子顯微照片 圖片來源：NANO CREATIVE/SCIENCE SOURCE

近日，研究人員在美國《國家科學院院刊》上報告稱，不論是冰山還是巖石，當它們破碎時，碎片往往像立方體。這一發現表明，從微觀到宏觀都存在普遍的碎裂規律。

「這是純數學、材料科學和地質學的結合。」未參與該研究的美國普林斯頓大學化學和生物工程師Sujit Datta說。

這一發現建立在匈牙利布達佩斯技術與經濟大學數學家Gábor Domokos之前的工作基礎上。2006年，Domokos幫助證明了岡布茨的存在。岡布茨只有一個穩定和一個不穩定平衡點，無論以任何角度將岡布茨放置在水平面上，它都可以自行回到其穩定點。在隨後的工作中，Domokos及同事發現，被衝刷的鵝卵石和被風吹來的沙粒等實體，往往會被侵蝕成岡布茨形狀，而不會達到理想形狀。

Domokos團隊轉換了方向——研究巖石是如何產生的。他們開始在計算機模擬中「分割」一個抽象立方體，方法是將50個二維平面以隨機角度插入該立方體。這些平面將立方體切割成60萬個碎片，平均而言，這些碎片本身就是立方體。也就是說，這些碎片有6個四邊形，儘管任何單個的碎片不一定是立方體。這一結果使研究人員懷疑立方體可能是碎裂的共同特徵。

之後，研究人員選擇了匈牙利布達佩斯Hármashatárhegy山上的一塊白雲石，並計算石頭表面裂縫中的頂點數量。不管這些裂縫是自然風化還是人為造成的，大部分裂縫都形成了方塊狀，是立方體的一個側面。

最後，該團隊利用更強大的超級計算機來模擬三維材料在理想狀態下的破裂過程——就像一塊巖石在各個方向被同等地拉動。研究人員表示，一般意義上，這種情況下形成的多面體碎片是立方體。

懷疑者可能會指出，自然界中的許多東西並沒有分裂成立方體。該論文通訊作者之一、美國賓夕法尼亞大學地球物理學家Douglas Jerolmack說，這是因為真實的材料並不是模擬中發現的理想化狀態，它們通常包含有利於非立方破壞的內部結構或特性。例如，雲母脫落成薄片是因為它的某一個方向弱於其垂直方向。

Jerolmack補充說，這些發現可以幫助水文學者預測地下裂縫中流動的流體，或者幫助地質學家計算懸崖表面危險巖石的大小。

德國地球科學研究中心地質學家Anne Voigtl?覿nder說：「你需要對地球表面過程有抽象的理論觀點，才能真正挖掘其中的含義。對地質學家來說，有時很難理解它的價值，或者知道它適用於何處。」

《中國科學報》 （2020-07-29 第1版 要聞）

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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