Simetri bozulduğunda işler ilginçleşmeye başlar
Bir uzaylının dünyayı ziyaret ettiğini varsayalım. Görevi, sanat ve mimari, müzik ve tıp, hikayeler ve bilim dahil olmak üzere tüm insan kültürünü gözlemlemek. Yakında şu sonuca varacak: İnsanlar "takıntılıdır" mod " Türler . 18. yüzyıl İngiliz bahçeleri, ortaçağ Almanya'sı folkloru ve Maya uygarlığındaki geleneksel dokumaların neredeyse hiçbir ortak yanı yoktur, ancak hepsinin kendi estetik cazibesi vardır ve hepsi daha küçük parçalardan yapılmıştır. Uyumlu bir bütün oluşturur.
Theo van Doesburg'un yedinci tablosu "Üç Güzeller". | Resim kaynağı: Wikipedia
Evrenimiz doğal olarak çeşitli simetri Bu tesadüf değil. Muhteşem bir villanın ayna simetrisi, birçok canlının (kelebeklerden insanlara) dış formlarını yansıtır. Daha derin bir düzeyde, evrenin temel yasaları simetrisinin sonucudur. Basit ve derin bir örnek, Alman matematikçi Amy Knott'un öncü çalışmasıdır: Noord'un teoremi Fizikte her yerde bulunan koruma yasaları, aslında evrendeki çeşitli simetrilerin tezahürüdür. . Örneğin, enerji korunur çünkü fizik yasaları ister bugün ister bin yıl önce aynıdır; momentum korunur çünkü momentum ister dünya ister Plüton'da tamamen aynıdır. Dolayısıyla simetrinin olağanüstü bir özelliği vardır, dünyanın nasıl işlediğinin ve dünya anlayışımızın temelini oluşturur.
Başka bir örnek olarak, simetri malzeme fiziğinde de çok merkezi bir kavramdır. Atomlar bir madde halinde toplandıklarında, doğal olarak simetrik tekrar eden bir modelde düzenlenirler. Sadece bu değil, malzemenin bir dokunma sensörü veya bilgisayar bellek elemanı tasarlamak gibi belirli bir amacı olmasını istediğimizde, bu modellerin bu kullanışlı özellikleri üretmek için doğru simetriye sahip olması gerekir.
Ama yine de bir dönüm noktası var - ister sanatta ister bilimde, mükemmel simetrik desenler biraz monoton olacak. aslında, Bir anlamda simetri, bilginin tam tersidir . Size bir kelebeğin kanatlarını gösterirsem, kolaylıkla bir tane daha çizebilirsiniz; size ahşap bir çit gösterirsem, tüm çiti çizebilirsiniz. Çünkü eksik parçalar o kadar kolay bir şekilde yeniden yapılandırılır ki yeni bir bilgi taşımazlar.
Bir kelebeğin kanadının neye benzediğini biliyorsanız, diğer yarısını da kolayca çizebilirsiniz. | Resim kaynağı: Pinterest
Aksine, yeni bilgileri ifade etmek veya saklamak istiyorsak, bu verileri kodlamak için simetriyi kırmanın bir yolunu bulmalıyız. Çitte birbirini izleyen ahşap çitler biraz farklıysa - örneğin, her bir ahşap çit rastgele beyaz veya maviye boyanmışsa - bu simetri (ve tüm çiti çekme yeteneğiniz) kaybolacaktır. . Beyaz Mucha'yı temsil etmek için 0 ve mavi Mucha'yı temsil etmek için 1 kullanırsak, dijital veri depolama ve veri işlemenin temeli olan bir sayının ikili bir temsiline sahibiz.
Bir bilgisayarda, bu 1'ler ve 0'lar beyaz ve mavi ahşap ızgaralarla değil, elektriksel veya manyetik olarak polarize malzemelerle temsil edilir. Polarize malzemeler artık izotropik değildir (yani, her yönde aynıdır), ancak belirli bir yönü gösteren bir elektrik veya manyetik alana sahiptir. Bu nedenle, bu aynı zamanda kırılmış simetriye fiziksel bir örnektir.
Bu, teknik ve belirsiz bir bakış açısı gibi görünebilir, ancak aslında, evren için, Simetri kırılması, simetrinin kendisi kadar önemlidir . Su bir tür tekdüze moleküler çorbadır, herhangi bir özel nokta diğer noktalarla aynıdır; ancak buzda donduğunda sabit bir modelde katılaşır ve farklı yerler ayırt edilebilir hale gelir. İkisi arasındaki fark, boyalı bir duvar ile duvar kağıdıyla kaplı bir duvar arasındaki fark gibidir. Boyalı duvarda her nokta aynıdır, ancak duvar kağıdında her nokta sadece diğer desenlerdeki karşılık gelen nokta ile aynıdır. Bu nedenle, belirli bir simetriden, yani bir noktadan diğerine geçerken değişmeden kalan nesneden bahsediyoruz. Öteleme simetri -Kayboldu.
Kozmik ölçekte, evreni yöneten temel kuvvetler (yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler dahil) arasındaki farkın da kırık simetrinin sonucu olduğu kabul edilir. Bu kuvvetlerin birleşik etkisini açıklayabilecek bir şey arayın " Her Şeyin Teorisi "Bu, büyük ölçüde, buz bulma ve suyu hayal etme girişimidir: mevcut simetri kırılmış evren modeline dönüp dönüp dönüp bakarak, erken evrenin simetri çorbasını anlamak.
Simetri kırma kavramı sadece doğası gereği güzel bir fikir değildir, aslında birçok pratik uygulamaya sahiptir. Malzeme biliminden bahsetmişken bulduk Yapabilmek Belirli bir işlevi üretmek için gereken simetri neredeyse her zaman bozulur. . Örneğin Piezoelektrik Olgu, yayaların basamaklarından enerji elde etmek için "akıllı kaldırım" ın teorik temelidir. Piezoelektriklik, bir elektrik alanı oluşturarak basınca tepki verebilen bir malzemeyi içerir. (tersine). Pierre Curie ve Jacques Curie kardeşler bu özelliği ilk kez 1880 yılında fark ettiler ve çalışmaları radyolojik araştırmalarda Pierre ve Marie Curie kadar iyi bilinmese de çığır açıcıdır. Piezoelektrik malzemeler artık saatler, kameralar ve yazıcılar dahil birçok günlük uygulamada kullanılmaktadır ve aynı zamanda gelecekteki birçok teknolojinin temelini oluşturmaktadır.
Piezoelektrik zemin, stresle başa çıkmak için voltaj üretecektir. | Resim kaynağı: ROHIT GURJAR / Medium
Araştırmalar, maddenin atomik seviyede çok asimetrik olması durumunda piezoelektrik bir malzeme olamayacağını buldu. Ortasında bir bilyeli yatak bulunan bir lastik küpü sıkıştırdığınızı düşünün.Bilyalı yatağın etrafındaki tüm malzeme içe doğru hareket edebilir, ancak bilyalar aynı konumda kalacaktır. Bununla birlikte, basınç uygulandığında, başlangıçtaki hafif asimetri büyütülür. Başlangıçta bilyeli yatak merkezden kaymışsa, küpün içe doğru sıkışması, tıpkı bu hareket yoluyla bir elektrik alanı oluşturan piezoelektrik gibi, onu merkezden daha da uzaklaştırabilir. Aynı argüman, elektriksel veya manyetik sıraya veya her ikisine bağlı olan diğer maddi özellikler için de geçerlidir: Bu olağandışı etkileri üretmek için, belirli bir asimetri derecesi gereklidir.
Peki bu asimetriyi tasarım yoluyla pratikte nasıl gerçekleştireceğiz? İki temel ön koşul vardır. Öncelikle, kırmak istediğimiz simetrinin doğası gereği kararsız olduğundan emin olmalıyız. Meksikalı bir fötr şapka üzerine bir pinpon topu koyduğunuzu hayal edin Merkez en simetrik dengedir, ancak bu pozisyon çok dengesizdir. Top belirli bir yöne doğru kenara doğru yuvarlanarak simetriyi kendiliğinden bozacaktır.
Mexican Hat | Kaynak: VectorStock
Bununla birlikte, gerçek malzeme milyarlarca atomik "kapaktan" oluşur; her bir kapaktaki top farklı bir yönde yuvarlanırsa, genel bir etki olmayacaktır. Bu nedenle, ikinci ön koşul, her şapkanın - yani her atomik yapı bloğunun - komşu şapkaları üzerinde güçlü bir etkiye sahip olmasıdır. Her bir bileşenin bükülme yönü, ona bitişik bükülme yönüyle aynı ise, simetri kırılması atomik ölçekten makroskopik ölçeğe doğru gelişecektir. Bu gereksinimler göz önünde bulundurularak, uygun bir simetrik malzeme tasarlamak, kimya, fizik ve malzeme biliminden gerçek özgünlük ve anlayış gerektirir.
Akıllı tasarımda düşük simetri durumuna da ulaşabiliriz. Örneğin elektrik polarizasyonunu tek bir adımda gerçekleştirmek yerine iki farklı simetri türünü bir araya getirmek mümkündür. Doğru koşullar altında, bu kombinasyon atomik ölçekte kutupsal sıralamaya yol açabilir, ancak bu iki türden hiçbiri tek başına yapamaz - bu davranışa denir Hibrit harici ferroelektrik .
Materyal tasarım gibi, hikayenin anlatılma şekli de kalıbı bozmaktır. Peri masallarında muhtemelen üç ayı, üç domuz veya üç oğulla karşılaşıyoruz; modern zamanlarda, kalıcı şaka kalıbı genellikle üç kahramanı içerir ("bir İngiliz, bir İrlandalı ve Bir bara giren bir İskoç'un hikayesi ") ve komedyenler, doğaçlamacılar ve senaristler, yaratılışın" üç kanunu "hakkında konuşurlar. 3 numaraya neden bu kadar takıntılısın ? Cevap çok farklı: ilk seferinde bir şey oldu; ikinci seferde benzer bir şey tekrar oldu - bir kalıp haline geldi; ama üçüncü seferde farklı bir olay oldu - kalıbı bozdu. Kralın ilk iki oğlu trajediyle sonuçlanırken, üçüncü oğlu ejderha avcısı oldu, bir prensesle evlendi ve mutlu bir hayat yaşamak için hayatın zirvesine gitti. 3 sayısının büyülü bir yanı yoktur, ancak bir modelin en az iki unsuru olması gerektiğinden, bir simetri oluşturmanın ve yok etmenin en etkili yolu 3'lü bir dizi haline gelmiştir. .
İster bilimde ister sanatta olsun, belli bir soyutlama düzeyinde simetri kırılmaları, ilginç şeylerin gerçekleşmesi için kavramsal alan yaratır. Desenler çekici olabilir, ancak eski efsanelerden modern teknolojiye kadar, en ilginç, yararlı ve ilham verici şeyler genellikle desenler yok edildiğinde gerçekleşir.
Metin: Anthony Phillips
Çeviri: Yuan Yuan
Orijinal metin ilk olarak https://aeon.co/ideas/why-symmetry-gets-really-interesting-to-physics-when-it-is-broken adresinde yayınlandı. Çince içerik sadece referans içindir ve tüm içerik orijinal İngilizce versiyona tabidir.
