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但一检索和【违背牛顿第三定律】相关的论文,却发现这样的论文还真不少,甚至有的还涉及到量子场论。
媒体报道的时候, 提到了一个关键词【奇异弹性(Odd elasticity)】,关于这个概念,引用量最高的是2020年《Nature-Physics》上的一篇论文[2]。
看了下这篇论文,虽然里面没有直接说【违背牛顿第三定律】,但却多次提到【违反弹性模量张量对称性】,违反【违反应力张量】……
但也得注意到,这篇论文,虽然设计了实验研究,奇异弹性对经典力学和电磁学的违背,但对这种违背并没有更底层的解释。
非互易这个关键词,甚至就出现在这篇【违背牛顿第三定律】论文的标题中:
无论牛顿第三定律里的相互作用力,还是电磁力学中的电磁相互转换,还是光学的可逆性,这些都是互易性。
对称性是无数物理学家信奉的经典,泡利甚至表示,愿意用任何东西赌,宇称一定是守恒的。
当时的研究发现,θ介子和和τ介子是两种质量、寿命、电荷都相同的粒子,但θ介子却衰变生成两个π介子,τ介子却衰变生成三个π介子。
这个破天荒的想法提出后,引起了物理学界的众多反对,但二人却请来吴健雄完成了宇称不守恒的实验验证。
按照经典物理学的解释,当改变一颗原子的自旋,进行衰变的时候,释放出来的粒子,也应该保持守恒律。
在β衰变中,如果把原子自旋变成镜像,大多数电子,都是受到相同方向的电磁力,因此镜像中的电子分布规律会和现实中相同。
这里应该有人无法理解,为什么镜像和现实中电子发射方向会一致。这是因为,镜像中不仅原子核运动方向是镜像相反的,电子的发射的方向也是镜像相反的。原子核发出的磁场方向变为镜像,假设电子没有变成镜像,发射方向的确会相反。但电子同时也变成了镜像,所以发射方向就会变成同向。这其实也是宇称守恒的“完美”所在,所以曾经才有那么多物理学家坚守。
在实验中,吴健雄在0.01K的极低温度下,通过强磁场获得了自旋相反的钴60,与对照组互为镜像。
衰变过程中,释放出的电子运动方向和 γ 射线也是同步的。 γ 射线其实可以相当于一个尺子,来度量电子究竟偏了多少。然而最终统计结果表明,无论对照组,还是 γ 射线,都得出电子分布改变了。从本来应该向下分布更多的电子,变成了向上分布更多。
合理的解释只能是:衰变发射出来的左手电子数和右手电子数是不相等的,因此产生不同方向电磁力,导致了电子的不同分布。
所以,杨振宁、李政道,以及吴健雄等人的研究,告诉我们,我们的宇宙并不是严格对称的,具有宇称不守恒,具有对称性破缺。
后来发现,中微子总是左旋,反中微子总是右旋,证明了弱相互作用的最大对称性破坏。正反粒子变换也存在不守恒,电荷共轭(C)也是对称性破坏的,因此和宇称P的破坏,共同称为CP破坏。
总之,虽然我们宇宙绝大多数的东西都是互易性的,但依旧具有非互易性,尤其是涉及弱相互作用力的微观层面。例如凝聚态物理,就有典型的非互易性表现。
铺垫了这么多,我们终于可以来看看,原论文涉及到的非互易性,是否能证明运动违背牛顿第三定律了。
论文中提到,除了量子物理学家眼里严格的非互易性外,其实在材料学中,非互易性可以单指宏观表现,微观层面可以是符合互易性的。
例如,二极管只能单方向通电,表现出宏观的非互易性,但在微观层面,原子是符合互易性的。
我们认识宇宙是否对称,其实和我们的【不可观测量Non-observables】有关。
我们认为宇宙对称,是因为还存在不可观测量。例如,我们对空间均匀性的绝对位置不可分,所以认为动量守恒,对时间均匀性的绝对时间不可分,所以认为能量守恒。我们曾经之所以认为宇称守恒,也是因为存在不可观测量。但后来,我们观测到了原本没有观测到的量,区分出了【左-右】,因此发现了宇称不守恒。
可能有些观测量,人类是永远无法发现的,于是在我们眼里总是对称而处于平衡的。当我们发现某个观测量可观测量,对称性就破缺了。当发现不可观测了,对称性就恢复了。
例如无论对于相对微观的菌群,还是宏观的鸟群来说,群体总是在不断变化。我们给它一个力,很有可能反馈的力更大,也可能更小。从而它在整体宏观上表现出违背牛顿第三定律(值得注意的是,这是集群表现。从个体上来说,并不违背。你施加的力,会在个体之间以符合牛顿第三定律不断传递)。
宏观的非互易,在前沿领域,也在积极进行材料研发,并进行非互易机器的实验。
个体之间的互相影响是不可控的,因此对于整体的变化很难用统计学计算,然而,研究者通过引入奇异点的概念,通过非互易相变,来分析这种表现出来的对称性破坏。(值得注意的是,这里的对称性破坏,也指的是宏观聚群,而非量子力学概念)
宏观集群,与微观粒子类似,都会在跨越奇异点后打破宇称,形成一种自发对称性破缺的手征相。
另一种仅仅只是宏观的非互易性,它具有宏观的对称性破坏特征,但并不是真正的宇称不守恒。
虽然非互易性搭建起了微观和宏观之间的特殊桥梁,但个人认为,后者更多的是宇称不守恒在宏观集群上的数学扩展运用。
可以注意到,这篇论文中提到的非互易性,是通过奇异弹性(Odd elasticity)所表现出来的。
活性生命体所表现出来的奇异弹性,实际在更早的《Nature》论文中,就有介绍。
对于生物体来说,低雷诺数流体表现出的奇异粘性,本身就会带来不对称的应力改变。
磁场中的多原子气体、磁化等离子体、旋转的气体、凝聚态物质都可以表现出奇异粘性。
例如,在磁化等离子体中,剪切力施加在原本圆形的轨道上,会导致椭圆的主轴旋转相应的角度(角度大小与施加的磁场强度有关)。这个过程,就会导致粒子受到的应力发生相应角度的旋转。这个角度的改变,则对应着材料的奇异粘性。
而对于发生互相碰撞的粒子来说,如果粒子本身就是宇称不守恒的,那么它们碰撞则会直接带来粘性应力的改变。从而让材料,表现出奇异粘性。
除此之外,晶体中的拓扑缺陷,控制着晶体的大规模重排,也能让材料表现出奇异粘性。
之所以表现出非互易特征,是因为这个三角形晶格中,化学键上存在一个应变控制的准静态循环【1→2→3→4→1】。
对于横向作用力FΦ来说,从3→4的这个过程,会化学键做功而导致更大的应变。
无论活性晶体的膨胀、压缩,还是遇到各种剪切力、单轴压缩、横波、奇异波带来的变形循环,都可能让材料获得奇异弹性。
但同时,也可能仅仅只是通过集群的非互易,在宏观上表现出奇异性。实际在微观状态是完全符合守恒律的。
其实,无论这篇论文,还是《Nature》上《奇怪的生物违背了力学的黄金法则》和《活性手征晶体的奇异动力学》,主要都是从流体力学和晶体层面,进行了分析。
虽然在宏观层面上,包括在内的众多活性生命体,可以表现出违背牛顿第三定律的特征。但在微观上,并不能得出这样的结论,是未知的。
所以,从严格意义上来说,仅仅通过这些论文,我们无法得出,违背牛顿第三定律。
包括一些权威研究,在使用违背牛顿第三定律的概念时,其所指的,其实是局限在宏观非互易性的范畴内的,这是在特定范围和语境中才适用的。
媒体直接使用【运动违背牛顿第三定律】的标题,忽视了论文中的语境和范围,这是第一个问题。
另一个问题则是,媒体很明显,并不知道宏观非互易性原理,所以进行了经典力学式的描述。
虽然它涉及微观的电磁效应,但并不涉及核反应,因此微观层面上,能量是守恒。
对于一个稳定晶格来说,它发生循环形变,本身就涉及到能量的吸收和释放,它额外做功时,自然还有能量的再次吸收。本身就需要有稳定的能量源,在维持这个变化。
对于活性生命体来说,这样的能量源实在是太多了,仅仅是稳定的体温,随时随地存在的生化反应,都可以提供稳定的能量。
毕竟,你的确不知道,运动的时候,原子和电子层面究竟发生了什么。(但个人认为,违背的概率很低)。
科学工作者需要反复实验、反复计算才能最终验证的结论,在他们口中犹如喝水一样的简单。
这篇论文的核心,并不是在研究或者证明,违背牛顿第三定律。实际是以过去研究成果中生命物质集群的非互易性作为前提条件,来分析生命物质的奇异力学性质。
虽然论文中研究了,但其实也涉及到其它的微生物,例如衣藻。研究重点,也是有鞭毛的微生物/细胞,在低雷诺数粘性流体中所表现出来的奇异弹性,并用力学进行了分析,通过空间傅立叶变换探讨了奇异弹性模量。
其实相比起之前的《Nature》论文,这篇论文并没有非常大的突破性发现。
想要对非互易、奇异弹性、奇异粘度有更深度了解的,可以仔细翻看一下参考文献。电缆管溅射离子泵互易定理宾主效应凯时kb88真人平台
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