Świat przyrody ma tendencję do rozpadu na kostki

Być może kubiści mieli rację. Naukowcy odkryli, że kiedy wszystko, od gór lodowych po skały, rozpada się, ich kawałki mają tendencję do przypominania kostek. Odkrycie sugeruje uniwersalną zasadę fragmentacji w skali od mikroskopijnej po planetarną.

„To bardzo piękne połączenie czystej matematyki, materiałoznawstwa i geologii” – mówi Sujit Datta, inżynier chemii i biologii z Uniwersytetu Princeton, który nie brał udziału w tych pracach.

Odkrycie opiera się na wcześniejszej pracy matematyka Gábora Domokosa z Uniwersytetu Technologii i Ekonomii w Budapeszcie, który w 2006 roku pomógł udowodnić istnienie gömböc, przypominającego klejnot kształtu, który ma tylko jeden stabilny punkt równowagi. Połóż gömböca na stole, a zawsze spocznie w dokładnie tej samej pozycji, w przeciwieństwie do, powiedzmy, cylindra, który może spoczywać na swoim końcu lub boku. W późniejszej pracy Domokos i jego współpracownicy odkryli, że istoty takie jak kamyki spływające z rzeki i ziarna piasku wiejące na wietrze mają tendencję do erozji w kierunku kształtów gömböcich, nigdy nie osiągając tego ideału. „Gömböc jest częścią natury, ale tylko jako sen” – mówi Domokos.

On i jego zespół przeszli następnie na drugą stronę tego procesu – jak rodzą się same skały. Rozpoczęli badanie „fragmentacji” abstrakcyjnej kostki w symulacji komputerowej, przecinając ją 50 płaszczyznami 2D wstawionymi pod przypadkowymi kątami. Płaszczyzny przecięły sześcian na 600 000 fragmentów, które same były przeciętnie sześcienne – co oznacza, że ​​przeciętnie fragmenty miały sześć boków, które były czworokątami, chociaż każdy pojedynczy fragment nie musi być sześcianem. Rezultat skłonił naukowców do podejrzenia, że ​​kostki mogą być wspólną cechą fragmentacji.

Naukowcy próbowali potwierdzić to przeczucie za pomocą pomiarów w świecie rzeczywistym. Udali się na odsłonięcie mineralnego dolomitu na górze Hármashatárhegy w Budapeszcie na Węgrzech i policzyli liczbę wierzchołków pęknięć w kamiennej ścianie. Większość tych pęknięć uformowała kwadratowe kształty, które są jedną z płaszczyzn sześcianu, niezależnie od tego, czy zostały naturalnie zwietrzałe, czy też zostały stworzone przez ludzi wprawiających w ruch górę.

Wreszcie zespół stworzył potężniejsze symulacje superkomputerów, modelujące rozpad materiałów 3D w wyidealizowanych warunkach – jak skała ciągnięta jednakowo we wszystkich kierunkach. Takie przypadki tworzyły wielościenne fragmenty, które były, w przeciętnym sensie, sześcianami , jak donoszą naukowcy w tym tygodniu w Proceedings of the National Academy of Sciences .

Sceptycy mogą zwrócić uwagę, że wiele rzeczy w świecie przyrody nie rozpada się na kostki. Minerały, takie jak na przykład mika, odpadają w postaci płatków, podczas gdy formacje bazaltowe, w tym Grobla Olbrzyma w Irlandii Północnej, rozpadają się na sześciokątne kolumny.

Dzieje się tak, ponieważ prawdziwe materiały nie przypominają wyidealizowanych form znalezionych w symulacjach zespołu, mówi Douglas Jerolmack, geofizyk z University of Pennsylvania i współautor artykułu. Zwykle zawierają wewnętrzne struktury lub właściwości sprzyjające pęknięciom noncubic. Na przykład mika płytkuje, ponieważ jest słabsza w jednym kierunku niż w kierunkach prostopadłych. „Ale w uśrednionym statystycznie sensie skały rodzą się jako coś, co jest niejasnym cieniem sześcianu” – mówi Jerolmack. Dodaje, że odkrycia mogą pomóc hydrologom przewidzieć przepływ płynu przez pęknięcia w ziemi w celu wydobycia ropy lub pomóc geologom obliczyć rozmiary niebezpiecznych skał odłamujących się od ścian klifów.

Jednak niektórzy uważają badanie za nieco trudne do przeanalizowania. „Trzeba mieć ten abstrakcyjny, teoretyczny pogląd na procesy na powierzchni ziemi, aby naprawdę zrozumieć, co to może oznaczać” – mówi Anne Voigtländer, geolog z Niemieckiego Centrum Badawczego GFZ . „Czasami geologom trudno jest zrozumieć jego wartość lub zobaczyć, gdzie ma to zastosowanie”.

Jerolmack zgadza się, że w pewnym sensie wynik jest bardziej filozoficzny niż naukowy. Zauważa, że ​​jego zespół zainspirował się greckim filozofem Platonem, który powiązał każdy z czterech klasycznych elementów – ziemię, powietrze, ogień i wodę – z regularnym wielościanem, przypadkowo łączącym ziemię z sześcianem. Ale Platon jest bardziej zapamiętany z powodu alegorii jaskini, w której spekulował o pewnych wyidealizowanych i wiecznych formach, których tylko zniekształcone wersje istniały w prawdziwym świecie. „Gołym okiem widać zniekształcone obrazy – fragmenty” – mówi Domokos. „Ale żeby zobaczyć ideał, musisz użyć swojego umysłu”.

Źródło: Adam Mann, doi: 10.1126 / science.abe0397 Zdjęcie: NANO CREATIVE / SCIENCE

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x