數(shù)學(xué)家揭開三維空間氣泡的變化規(guī)律

 最近,兩位美國數(shù)學(xué)家解開了一個困擾科學(xué)界長達(dá)50年的“簡單”問題:啤酒泡和肥皂泡在膨脹、收縮及合并時的數(shù)學(xué)規(guī)律。該研究成果將對工程學(xué)的泡沫材料設(shè)計、生物學(xué)的組織結(jié)構(gòu)研究以及物理學(xué)的晶體顆粒排列探測產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,相關(guān)論文發(fā)表在2007年4月26日的《自然》雜志上。

金屬、泡沫以及細(xì)胞組織都是一個個類似馬賽克的空間區(qū)域相互作用形成的,這些小區(qū)域不斷變化——脹大、收縮或者合并,背后的驅(qū)動力都是表面張力。
        1952年,著名的數(shù)學(xué)家馮.諾伊曼揭開了二維氣泡的一些規(guī)律,即氣泡的變化取決于表面總曲率。此外,他還將復(fù)雜的曲率計算簡化為考慮氣泡的側(cè)面數(shù)量。半個世紀(jì)以來,科學(xué)家都努力地將馮.諾伊曼的結(jié)論推廣到三維空間。 

  

現(xiàn)在,美國普林斯頓高等研究中心的數(shù)學(xué)家羅伯特 麥克菲爾森和猶他大學(xué)的材料學(xué)家大衛(wèi),斯若羅韋茲解決了這一問題。盡管氣泡表面的彎曲形式可以十分復(fù)雜,但是,麥克菲爾森發(fā)現(xiàn),通過一個拓?fù)鋵W(xué)的概念——歐拉特征數(shù),就能夠簡潔地描述曲率。斯若羅韋茲表示,“有了這個認(rèn)識,我們就能更快地完成其余的部分。”

在歐拉特征數(shù)的基礎(chǔ)上,麥克菲爾森和斯若羅韋茲創(chuàng)造了一個抽象概念“平均寬度”,利用這一概念,研究人員可以對任何物體進(jìn)行計算而不用考慮它的具體形狀。他們在論文中指出,在三維空間中,氣泡不同表面之間交界邊緣的總長度如果超過平均寬度的6倍,那么氣泡將會膨脹;反之,氣泡則會收縮。

研究人員證實,他們的結(jié)論簡化到二維空間時就是馮.諾伊曼提出的規(guī)律,并且已經(jīng)將這一結(jié)論推廣到4維甚至更高維的假想氣泡。

斯若羅韋茲說,“新發(fā)現(xiàn)的這一規(guī)律非常普遍,它將改變我們對幾何物體的認(rèn)識方式。”他認(rèn)為,新的發(fā)現(xiàn)將可以幫助科學(xué)家研制出更持久更有效的材料,并將它們應(yīng)用于機翼、微處理器乃至核反應(yīng)堆。 

美國西北大學(xué)的應(yīng)用數(shù)學(xué)家海蘭菲爾德表示,之前許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氣泡變化經(jīng)驗性的規(guī)律和關(guān)系,一般都是考慮氣泡的面數(shù)。而最新研究得出的精確結(jié)論為這些規(guī)律找到了堅實的理論基礎(chǔ)。不過,科學(xué)家還需要進(jìn)行更為艱苦的工作,那就是要精確描述泡沫整體結(jié)構(gòu)隨著氣泡消失與合并的變化規(guī)律。

2007-05-09

 
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