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文摘精选《彩色橡皮筋里的布伦链》

栏目:文摘精选|发布:茉绿 已在故事者网站发布【72】篇文章
日期:2021-12-31|来源:知识窗|作者:清樾|阅读:手机阅读

感谢茉绿发布文摘精选《彩色橡皮筋里的布伦链》,内容如下:

彩色橡皮筋,为人熟知的用途是被女孩用来扎头发,而在科学界,即便是不经意到让人忽略的橡皮筋都有它独特的科学地位。接下来,让彩色橡皮筋来教我们一些数学知识,以此来叩开科学界的大门。

有一种橡皮筋玩具叫作“彩虹织机”,“彩虹”则是因为彩色橡皮筋颜色绚丽,组合在一起就像彩虹一般,“织机”顾名思义就是把一根根小小的橡皮筋编织起来。最简易版的彩虹织机就是一个带图钉的木板,而它编出来的橡皮筋玩具在数学界有着重要地位。

这种玩具属于拓扑学中的布伦链,数学家赫尔曼·布伦最早在1892年讨论了它,所以这个套环就以他的名字命名。

在拓扑学的纽结理论里,一个单环就叫作纽结,两个及以上的环组成的不能分离的结构叫作链,最简单的链是2个环套在一起的霍普夫链。一个经典的例子,奥运五环就是由霍普夫链组成的。霍普夫链链构成的结构有一个特点:拆掉其中任何一个环,都不能把链条完全打散。

但是布伦链不是这样。在布伦链里,任意两个环都是分离的,它们看似链接,实际上每个环要么压在另一个环上方,要么被压着,并没有和任何一个环套在一起。由此可以导出一个结论:布伦链是只要消除或剪掉其中任何一个环,所有环都会散开的结构。

很显然,彩虹织机织的就是一种布伦链,因为任意两根橡皮筋都没有套在一起。而布伦链的特征意味着彩虹织机有一个致命弱点:只要剪断彩虹织机织出来的手环中的任意一根橡皮筋,整个手环就会散架。

布伦链还有一个神奇的性质:在3个环及其倍数的情况下,环之间可以形成无穷多种交叉的变式。世界上的许多图标和LOGO实际上就是布伦链,比如印度南部钦奈的建于6世纪的一座神庙里,就有一个由3个环构成的16个交叉的布伦链,它代表的是湿婆。

博罗米恩环也是布伦链的一种,它有一个神奇的性质:如果把其中任意两个环套在一起,那么第三个环就会自动脱离。阿富汗的文化遗迹、北欧神话中都有博罗米恩环的结构,现代国际数学联合会的会标也是一个博罗米恩环。

布伦链的特有性质是怎么叩开科学大门的呢?

在合成化学里,各式各样的结合链是很难合成的,而有布伦链结构的蛋白质也很罕见。史上第一个成功合成出博罗米恩环的是纽约大学的纳德里安·西曼,他用DNA硬造了一个出来,自此,DNA纳米学诞生。

而布伦链和量子力学也有神秘的交集。1970年,俄国物理学家维塔利·埃菲莫夫预测,3个玻色子(量子力学中,粒子分为玻色子与费米子)可以形成一个稳定的量子束缚态,但是其中两两却不互相束缚。2006年,埃菲莫夫的预测被超低温铯原子气证实,因此这个现象就被命名为埃菲莫夫效应。

这使物理学家们沸腾了,有没有其他量子束缚态也是布伦链性质的呢?如果是这样,我们是不是就有可能创造各种世界上从没有过的新分子?至此,一根不起眼的彩色橡皮筋延展到了文明进化的新里程,又如一场蝴蝶效应,让探秘的乐趣变得无止境而又有无限可能。

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