Τα πιο συμμετρικά αντικείμενα στον κόσμο

Αν έχετε προσπαθήσει ποτέ να κουρευτείτε, ξέρετε πόσο δύσκολο είναι να φτιάξετε κάτι ακριβώς συμμετρικό. Εκτιμούμε τόσο πολύ τη συμμετρία εν μέρει επειδή είναι πραγματικά δύσκολο να επιτευχθεί.

Εδώ είναι πέντε από τα πιο συμμετρικά αντικείμενα που έχουν φτιάξει ποτέ οι άνθρωποι και γιατί ήταν τόσο δύσκολο να κατασκευαστούν.

Ρότορες γυροσκόπιου χαλαζία Gravity Probe B

Το 2004, το Gravity Probe B (GP-B) εκτοξεύτηκε στο διάστημα με έναν πύραυλο Delta II με αποστολή να δοκιμάσει τη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Ο δορυφόρος σε τροχιά της Γης περιελάμβανε ένα σύνολο γυροσκόπιων που θα μπορούσαν να μετρήσουν δύο από τα φαινόμενα που προβλέπονται από τη γενική σχετικότητα:την καμπυλότητα του χωροχρόνου (το γεωδαιτικό φαινόμενο) και την παραμόρφωση του χωροχρόνου από μεγάλα αντικείμενα (πλαίσιο σύρσιμο). Για να μετρηθούν αυτά τα πράγματα, τα γυροσκόπια έπρεπε να είναι απίστευτα ακριβή. Η απομάκρυνση από οτιδήποτε μεγαλύτερο από το ένα εκατό δισεκατομμύριο του βαθμού κάθε ώρα θα κατέστρεφε το πείραμα. Τα τυπικά γυροσκόπια που χρησιμοποιούνται σε υποβρύχια και στρατιωτικά αεροσκάφη, για σύγκριση, είναι πάνω από 10 εκατομμύρια φορές λιγότερο ακριβή.

Το κλειδί για την κατασκευή ενός τόσο ακριβούς γυροσκόπιου ήταν η δημιουργία απόλυτα συμμετρικών ρότορων, των ταχέως περιστρεφόμενων στοιχείων που επιτρέπουν στα γυροσκόπια να διατηρήσουν τον προσανατολισμό τους. Αυτοί οι ρότορες έπρεπε να είναι πλήρως ισορροπημένοι και εντελώς ομοιογενείς και στο εσωτερικό τους. Η ομάδα GP-B κατασκεύασε αυτές τις μικρές σφαίρες από καθαρούς λίθους χαλαζία που καλλιεργήθηκαν στη Βραζιλία και ψήθηκαν στη Γερμανία. Η επιφάνεια κάθε γυροσκόπιου είναι σχεδόν εντελώς σφαιρική, μόνο περίπου τρία δέκα εκατομμυριοστά της ίντσας μακριά.

Σύμφωνα με το βιβλίο των ρεκόρ Γκίνες, αυτά είναι τα πιο στρογγυλά αντικείμενα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ. Η ομάδα του Στάνφορντ που εργάστηκε στις σφαίρες λέει ότι μόνο τα αστέρια νετρονίων είναι πιο σφαιρικά.

Avogadro Project κιλό πυριτίου

Ο μόνος πραγματικός διεκδικητής του Gravity Probe B, όταν πρόκειται για τέλειες σφαίρες, είναι η μπάλα που σύντομα θα καθορίσει ένα κιλό. Αυτή η σφαίρα είναι το αποτέλεσμα του The Avogadro Project και μόνο οι πρώτες ύλες της κοστίζουν πάνω από ένα εκατομμύριο δολάρια. Ο στόχος είναι να αντικατασταθεί και να αντικατασταθεί το διεθνές πρωτότυπο κιλό (IPK). Το κιλό είναι η τελευταία μονάδα στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (ουσιαστικά, το μετρικό σύστημα) που εξακολουθεί να ορίζεται από ένα φυσικό αντικείμενο - έναν κύλινδρο κατασκευασμένο από κράμα πλατίνας-ιριδίου - και όχι από φυσικές αρχές. Αυτός ο κύλινδρος βρίσκεται αυτή τη στιγμή κάτω από τρία ένθετα βάζα καμπάνας σε ένα ελεγχόμενο από το κλίμα θησαυροφυλάκιο λίγο έξω από το Παρίσι.

Το πρόβλημα είναι ότι η τρέχουσα IPK έχει χάσει λίγο βάρος, σε σύγκριση με 40 παρόμοιους κυλίνδρους που υπάρχουν σε άλλες χώρες, κάτι που είναι ένα σημαντικό ελάττωμα σε ένα αντικείμενο που χρησιμοποιείται για τον ορισμό μια μονάδα μάζας. Έτσι, το Avogadro Project δημιούργησε δύο σφαίρες σχεδόν τέλειες σε μέγεθος softball, φτιαγμένες εξ ολοκλήρου από άτομα πυριτίου-28, που θα πρέπει να παραμένουν ακριβώς ένα κιλό στο διηνεκές. Είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο-28 που καθαρίστηκε στη Ρωσία, χρησιμοποιώντας παλιές σοβιετικές φυγόκεντρες που χρησιμοποιούνταν κάποτε για την κατασκευή πυρηνικών όπλων. Στη συνέχεια, το καθαρισμένο πυρίτιο στάλθηκε στη Γερμανία, όπου αναπτύχθηκε σε κρυστάλλους.

Η προκύπτουσα σφαίρα απέχει μόλις 25 νανόμετρα από το να είναι τέλεια στρογγυλή, και πιθανότατα θα ξεπεράσει τις σφαίρες GP-B από τον τίτλο τους αργά ή γρήγορα. «Αν επρόκειτο να ανατινάξετε τις σφαίρες μας στο μέγεθος της Γης, θα βλέπατε έναν μικρό κυματισμό με ομαλότητα περίπου 12 έως 15 χιλιοστών και μια παραλλαγή μόνο 3 έως 5 μέτρων στη στρογγυλότητα», είπε ο κύριος οπτικός Achim. Leistner, του Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, στην Αυστραλία.

Τώρα που ολοκληρώθηκαν οι σφαίρες, ερευνητές σε διάφορες χώρες θα προσπαθήσουν να διακρίνουν τον ακριβή αριθμό των ατόμων που περιέχουν, για να επιτύχουν παγκόσμια συμφωνία σχετικά με το ποια ακριβώς είναι η μάζα ενός κιλού.

Ομάδα ψέματος Ε8

Χωρίς τις ενοχλητικές πραγματικότητες του φυσικού κόσμου, οι μαθηματικοί μπόρεσαν να φανταστούν απίστευτα συμμετρικές δομές. Η ομάδα ψεύδους Ε8, για παράδειγμα, είναι ένα σύνολο 248 διαφορετικών μορφών συμμετρίας που εφαρμόζονται σε ένα θεωρητικό αντικείμενο 57 διαστάσεων. Η δομή θεωρητικοποιήθηκε στα τέλη του 1800, αλλά μέχρι πρόσφατα ερευνητές από το Ηνωμένο Βασίλειο και τη Γερμανία ανακοίνωσαν ότι ήταν σε θέση να δημιουργήσουν ένα φυσικό σύστημα που αντιπροσώπευε το E8 στον πραγματικό κόσμο.

Για να δουν τις συμμετρίες Ε8, οι ερευνητές ψύξαν έναν κρύσταλλο από κοβάλτιο και νιόβιο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Στη συνέχεια εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο σε αυτόν τον κρύσταλλο και καθώς αύξαναν την ισχύ αυτού του πεδίου, το σπιν των ηλεκτρονίων μέσα σε αυτό σχημάτισε σχέδια που έδειχναν ότι προσκολλώνται στη δομή Ε8. Η εμφάνιση αυτού του μοτίβου υποδηλώνει κάτι περισσότερο από την ικανότητα να οικοδομήσουμε κάτι πολύ συμμετρικό—υποδηλώνει επίσης ότι υπάρχουν κρυμμένες συμμετρίες στον κβαντικό κόσμο που υπαγορεύουν πώς οργανώνονται τα ηλεκτρόνια.

Το Ταζ Μαχάλ

Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν θα αλληλεπιδράσουν ποτέ ούτε με τη σφαίρα GP-B ούτε με τη σφαίρα πυριτίου-28 κιλών. Αλλά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με μια φαινομενικά συμμετρική δομή αν κάνουν ένα ταξίδι στην Ινδία. Το Ταζ Μαχάλ χτίστηκε ως μαυσωλείο για τον αυτοκράτορα Σαχ Τζαχάν για να ενταφιάσει τη σύζυγό του Μαχάλ, η οποία πέθανε κατά τη διάρκεια του τοκετού. Ο Τζαχάν ήθελε το κτίριο να αντιπροσωπεύει αρμονικές σχέσεις και ζήτησε από τον αρχιτέκτονα να σχεδιάσει κάτι διμερώς συμμετρικό. Το αποτέλεσμα είναι ένα κτίριο που περιλαμβάνει συμμετρικές λεπτομέρειες από το σχέδιο μεγάλης κλίμακας μέχρι τις διακοσμητικές λεπτομέρειες.

Το Ταζ Μαχάλ αναφέρεται συχνά ως το βασικό παράδειγμα συμμετρίας στα κτίρια, αλλά είναι δύσκολο να προσδιοριστεί το πιο συμμετρικό κτίριο που έχει κατασκευαστεί ποτέ, καθώς πολλοί αρχιτέκτονες χρησιμοποιούν τη συμμετρία σε περίοπτη θέση στα σχέδιά τους. Για πολλά χρόνια, στην πραγματικότητα, τα μαθηματικά και η αρχιτεκτονική ήταν ουσιαστικά η ίδια πειθαρχία και οι αρχιτέκτονες εκτιμούσαν τα κτίρια που έμοιαζαν το ίδιο με τον προβληματισμό.

Ωτοασπίδες από οψιδιανό

Η δημιουργία κάτι που είναι πραγματικά συμμετρικό με το χέρι είναι δύσκολο ακόμη και με την τρέχουσα τεχνολογία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτά τα εντυπωσιακά συμμετρικά κοσμήματα αυτιών, που φέρεται να είναι παλιάς αιώνων, καταλήφθηκαν από θεωρητικούς συνωμοσίας, οι οποίοι υποστηρίζουν ότι δεν θα μπορούσαν να είχαν κατασκευαστεί χωρίς σύγχρονα εργαλεία. Οι αρχαιολόγοι παρακαλούν να διαφέρουν. Τα μικροσκοπικά βύσματα είναι πράγματι εξαιρετικά καλοφτιαγμένα, αλλά δεν κατασκευάστηκαν από εξωγήινους ή φάρσες που χρησιμοποιούν σύγχρονα μηχανήματα - μόνο από εξαιρετικά καταρτισμένους Αζτέκους. Οι αρχαιολόγοι που έχουν ανασκάψει τα εργαστήρια όπου κατασκευάστηκαν λένε ότι πολλά κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας πέτρινα, κεραμικά και ξύλινα εργαλεία χειρός.

«Δεν είναι μόνο εκπληκτικό ότι κατασκευάστηκαν με τέτοια δεξιοτεχνία και ακρίβεια, αλλά και ότι έχουν επιβιώσει μέχρι σήμερα χωρίς να συνθλίβονται», λέει ο John Millhauser, ανθρωπολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας που έχει βρει παρόμοια ωτοασπίδες στο Xaltocan. , ακριβώς βόρεια της Πόλης του Μεξικού. Έτσι, ενώ μπορεί να φαίνονται υπερφυσικά, είναι απλώς ένα παράδειγμα απίστευτης δεξιοτεχνίας.

Η Rose Eveleth είναι παραγωγός, σχεδιάστρια και συγγραφέας με έδρα το Μπρούκλιν. Ακολουθήστε την στο Twitter @roseveleth.

ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ:  Ο Richard K. Miller, ο σχεδιαστής και πρόεδρος του Olin College, σχετικά με το πώς μπορούμε να ανανεώσουμε την εκπαίδευση μηχανικών.

Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Ιούνιο του 2014.