Geometry and topology of bubble solutions from gauge theory

合集下载

拓扑学基础

拓扑学基础

例 1 设( X ,Τ )是任意拓扑空间,则 Τ 就是它的基.
例 2 设 是非空集,记 B ={{ }| ∈ X },
则 B 是集合 X 上的离散拓扑的基.
定理 1 设( X ,Τ )是拓扑空间,B Τ , 则B是拓扑Τ 的基的充
分必要条件是对于任意 G ∈Τ ,任意 ∈ G ,存在 Bx ∈B,使得 ∈ Bx G .
7
定理 1 设( X ,Τ )是拓扑空间,又设 M ⊂ X ,则 M 是开集当且仅当 M
是它的每一点的邻域.即
G ∈Τ ⇔ ∀ x ∈ G , G ∈N x .
定理 2 设( X ,Τ )是拓扑空间,对于 x ∈ X , N x 是点 x 的邻域系,则
(1) 对于任意 x ∈ X , N x ≠ø,并且对于 M ∈N x ,有 x ∈ M ;
Τ 3 ={Ø,{ },{ }, X },
则Τ
1 ,Τ
2 都是集合 X 上的拓扑.所以( X ,Τ
)与(
1
X

)都是拓
2
扑空间.因为{
,
}是Τ
2 -开集,但不是Τ
-开集,所以(
1
X

)
1
与( X ,Τ
)是两个不同的拓扑空间,虽然它们的基础集相同.由于
2

},{
}∈Τ
,{
3
}∪{
}={
,

Τ
3 ,因此Τ
例 4 设 X 是非空集,记
2
Τ ={G | X - G 是 X 的有限子集}∪{Ø},
则 Τ 是集合 X 上的拓扑,称为集合 X 上的余有限拓扑,拓扑空间
( X ,Τ )称为余有限拓扑空间.

庞加莱猜想及其在拓扑学中的重要性

庞加莱猜想及其在拓扑学中的重要性

庞加莱猜想及其在拓扑学中的重要性庞加莱猜想是数学领域中一项备受关注的未解问题,被认为是20
世纪数学的七大难题之一。

它由法国数学家亨利·庞加莱在1904年提出,至今尚未被证明或证伪。

庞加莱猜想的内容是:三维球面是唯一的闭
曲面,任何不同于球面的闭曲面在其上都可能存在连续的非平凡映射
到球面上。

在拓扑学中,庞加莱猜想的重要性不言而喻。

拓扑学是现代数学的
一个分支,研究的是空间中的形状和结构,在很大程度上依赖于庞加
莱猜想的解答。

如果庞加莱猜想为真,将对拓扑学的发展产生极大影响,为数学领域的进一步探索提供重要的线索。

因此,庞加莱猜想一
直是数学家们努力攻克的难题之一。

在20世纪初,庞加莱猜想曾引起一时轰动,但由于其巨大的难度
和复杂性,一直未能得到解决。

直到现在,数学家们仍在不断努力,
希望能找到解决庞加莱猜想的方法和证明。

庞加莱猜想的解答不仅对
数学领域具有重要意义,也将为科学发展开辟新的方向。

总的来说,庞加莱猜想在拓扑学中的地位至关重要,其解答将推动
数学领域的发展,为人类认识世界提供更深入的视角。

数学家们将继
续努力,争取尽快解开这一悬而未决的数学谜题,为数学研究的进步
做出更大的贡献。

愿庞加莱猜想早日揭开神秘面纱,为数学领域的繁
荣发展贡献力量。

高等几何在现代科学中的应用相关书籍

高等几何在现代科学中的应用相关书籍

高等几何在现代科学中的应用相关书籍
高等几何在现代科学中的应用十分广泛,相关的书籍也有很多。

以下是一些推荐的书籍:
1.《流形的几何与物理学》(Geometry, Topology and Physics)作者:Nakahara M,译者:汤家凤。

该书介绍了流形的几何学和物理学的应用。

2.《计算几何》(Computational Geometry)作者:de Berg M,译者:周海军等。

该书介绍了计算几何在计算机科学中的应用。

3.《微分几何与拓扑学导论》(Introduction to Differential Geometry and Topology)作者:Mishchenko A,译者:王曰琳等。

该书介绍了微分几何和拓扑学的基础知识和应用。

4.《线性代数与群论》(Linear Algebra and Group Theory)作者:Gilbert G,译者:程守道等。

该书介绍了线性代数和群论在几何学和物理学中的应用。

5.《计算机图形学》(Computer Graphics: Principles and Practice)作者:Foley JD等。

该书介绍了计算机图形学的基础知识和应用,包括三维几何、光线追踪、渲染等方面。

6.《微分流形在图像和信号处理中的应用》(Differential Manifold Methods in Image and Signal Processing)作者:Petrou M等。

该书介绍了微分流形在图像和信号处理中的应用,包括图像分割、特征提取、形态分析等方面。

以上是一些推荐的书籍,希望能帮助您深入学习高等几何在现代科学中的应用。

拓扑学简介(一)

拓扑学简介(一)

拓扑学简介(一)拓扑学简介(一)Comments>>| Tags 标签:原创, 拓扑学, 莫比乌斯带季候风发表于2008-09-29 13:19拓扑学是现代数学的一个重要分支,同时是渗透到整个现代数学的思想方法。

“拓扑”一词是音译自德文topologie,最初由高斯的学生李斯亭引入(1848年),用来表示一个新的研究方向,“位置的几何”。

中国第一个拓扑学家是江泽涵,他早年在哈佛大学师从数学大师莫尔斯,学成后为中国带来了这个新学科(1931年)。

拓扑学经常被描述成“橡皮泥的几何”,就是说它研究物体在连续变形下不变的性质。

比如,所有多边形和圆周在拓扑意义下是一样的,因为多边形可以通过连续变形变成圆周,右边这个图上,一个茶杯可以连续地变为一个实心环,在拓扑学家眼里,它们是同一个对象。

而圆周和线段在拓扑意义下就不一样,因为把圆周变成线段总会断裂(不连续)。

为什么要研究这种性质呢?这就要追溯到几百年以前先贤们的遐想了。

好在拓扑学比微积分还是新得多,用不着“言必称希腊”,只要从莱布尼兹开始就行。

莱布尼兹作为微积分的主要奠基者之一,对抽象符号有特殊的偏好。

经过他深思熟虑以后的微积分符号系统,比如微商符号dy/dx,不久就把牛顿的符号系统比下去了。

在1679年的时候,莱布尼兹突发奇想,尝试用抽象符号代表物体的几何性质,用以将几何性质代数化,通过符号的代数运算,由已有的几何性质产生新的几何性质。

他不满意笛卡尔的坐标系方法,认为有些几何性质是跟几何体的大小无关的,从而不能直接在坐标系中予以体现。

可能是由于这个想法太超前了,在他自己的脑子里也还只是混沌一片,而当年听到他这个想法的很多人,比如惠更斯,干脆就不予理睬。

莱布尼兹在三百多年前想要建立的,是现在称为“代数拓扑”的学问,中间经过欧拉,柯西,高斯,李斯亭,莫比乌斯,克莱因,特别是黎曼和贝迪的思考和尝试,终于在19,20世纪之交,由法国天才数学家庞卡莱悟到了。

庞加莱猜想前言

庞加莱猜想前言

庞加莱猜想-前言Wir m\"ussen wissen! Wir werden wissen!(我们必须知道!我们必将知道!)—— David Hilbert两年前科学版举行过一次版聚,我报告了低维拓扑里面的一些问题和进展,其中有一半篇幅是关于Poincar\'e 猜想。

版聚后,flyleaf 要求大家回去后把自己所讲的内容发在版上。

当时我甚至已经开始写了一两段,但后来又搁置了。

主要是因为自己对于低维拓扑还是一个门外汉,写出来的东西难免有疏漏之处,不敢妄下笔。

两年过去,我对低维拓扑这门学科的了解比原先多了,说话的底气也就比原先足了。

另外,由于Clay 研究所的百万巨赏,近年来Poincar\'e 猜想频频在媒体上曝光;而且Perelman 最近的工作使数学家们有理由相信我们已经充分接近于这一猜想的最后解决。

所以大概会有很多人对Poincar\'e 猜想的来龙去脉感兴趣,我也好借机一偿两年来的宿愿。

现代科学的高速发展使各学科之间的鸿沟加大,不同学科之间难以互相理解,所以非数学专业的读者在阅读本文时可能会遇到一些困难。

但限于篇幅和文章的形式,我也不可能对很多东西详细解释。

一些最基本的拓扑概念如“流形”,我将在本文的附录中解释。

还有一些“同调群”、“基本群”之类的名词,读者见到时大可不去理会它们的确切含义。

我将尽量避免使用这一类的专业术语。

作者并非拓扑方面的专家,对下面要说的很多内容都是道听途说,只知其然而不知其所以然;作者更不善于写作,写出来的东东总会枯燥无味,难登大雅之堂。

凡此种种,还请读者诸君海涵。

问题的由来Consid\'erons maintenant une vari\'et\'e [ferm\'ee] $V$ \`a trois dimensions ... Est-il possible que le groupe fondamental de $V$ ser\'eduise \`a la substitution identique, et que pourtant $V$ ne soit pas simplement connexe?—— Henri Poincar\'e在拓扑学家的眼里,篮球、排球和乒乓球并没有什么不同,它们都同胚于三维空间中的球面S^2. (我们把n+1维欧氏空间中到原点距离为1的点的集合记作S^n,称为n维球面(sphere)。

2016年诺贝尔物理学奖物质拓扑相的发现

2016年诺贝尔物理学奖物质拓扑相的发现

2016年诺贝尔物理学奖物质拓扑相的发现2016年诺贝尔物理学奖授予三位科学家――戴维?索利斯、邓肯?霍尔丹和迈克尔?科斯特利茨,以表彰他们发现了物质拓扑相,以及在拓扑相变方面做出的理论贡献。

这三名科学家均在英国出生,目前分别在美国的华盛顿大学、普林斯顿大学、布朗大学从事研究工作。

今年的获奖发现打开了一扇通往未知世界的大门,他们的发现带来了对物质奥秘理解方面的突破,并创建了培育新材料的新视角。

他们发现了新的物质形态对很多人来说,“拓扑相变和拓扑相”属于令人望而生畏的深奥理论。

普通人能看到气态、液态、固态这常见的三种物态,但更深刻的层次有很多物质态的分类。

“拓扑物态理论”补充了人们所熟悉的普通的物态变化,比如物质如何从固体变为液体再变为气体。

链接1:什么是拓扑?所谓拓扑,是数学的一个分支,主要研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的性质。

拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下,被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。

因此,从拓扑方面来说,一只马克杯和一个硬面包圈是一样的,因为它们都只有一个开口,而蝴蝶脆饼则不同,因为它有两个开口。

三名获奖者将拓扑概念应用于物理研究,这是他们取得成就的关键。

20世纪70年代初期,迈克尔?科斯特利茨和戴维?索利斯推翻了当时关于超导体和超流体无法在薄膜层中实现的理论。

他们证明,超导体可以在低温环境下实现,并解释了其实现机制,以及使超导体在高温中消失的相变问题。

20世纪80年代,戴维?索利斯用非常薄的导电层解释之前的一个实验。

在这些导电层中,导电性可以用整数步骤精确测量出来。

他证明了这些整数步骤是符合拓扑结构的。

几乎在同一时期,邓肯?霍尔丹发现了如何用这些拓扑概念理解一些物质中发现的小磁铁链的特性。

正因为戴维?索利斯参与了两项工作,所以独享一半奖金,邓肯?霍尔丹与迈克尔?科斯特利茨分享另一半奖金。

链接2:什么是拓扑相变?邓肯?霍尔丹不同的物质形态称之为物质的不同“相”或物态。

克卜勒英文版

克卜勒英文版

克卜勒英文版Kepler is a brilliant scientist who significantly contributed to the field of astronomy. 克卜勒是一位杰出的科学家,为天文学领域作出了重要贡献。

His work on planetary motion revolutionized our understanding of the solar system. 他关于行星运动的研究彻底改变了我们对太阳系的认识。

Kepler’s three laws of planetary motion are fundamental principles that continue to be studied and applied in modern astrophysics. 克卜勒的三大行星运动定律是现代天体物理学中一直被研究和应用的基本原理。

One of the most remarkable aspects of Kepler’s work is his meticulous observations and mathematical calculations. 克卜勒工作最引人注目的一个方面是他细致的观察和数学计算。

He spent years studying the movements of planets and meticulously recorded his findings. 他花费多年时间研究行星的运动,并详细记录下他的发现。

Kepler's dedication to his research and his attention to detail set him apart as a scientist of great integrity and perseverance. 克卜勒对研究的投入和对细节的关注使他成为一位极具诚信和毅力的科学家。

博士生《凸优化》课程 参考书

博士生《凸优化》课程 参考书

博士生《凸优化》课程参考书
《凸优化》是数学、工程和计算机科学领域中的重要课程,因此有很多优秀的参考书可供选择。

以下是一些常用的参考书:
1.《凸优化》(Convex Optimization)作者,Stephen Boyd
和Lieven Vandenberghe.
这本书是凸优化领域的经典教材,涵盖了凸集、凸函数、凸优化问题的基本理论,以及凸优化在工程和机器学习中的应用。

书中内容通俗易懂,适合初学者阅读。

2.《凸优化导论》(Introduction to Convex Optimization)作者,Yuriy Nesterov和Arkadii Nemirovskii.
这本书介绍了凸优化的基本概念、算法和应用,对于想深入了解凸优化的同学来说是一本很好的参考书。

3.《凸优化理论与算法》(Convex Optimization: Theory and Algorithms)作者,Dimitri P. Bertsekas.
这本书介绍了凸优化的理论和算法,内容涵盖了凸优化的基本
理论、算法和应用。

适合希望深入学习凸优化的同学阅读。

4.《最优化理论与方法》(Optimization Theory and Methods)作者,Wenyu Sun和Ya-xiang Yuan.
这本书介绍了最优化理论和方法,内容包括了凸优化、非凸优化、约束优化等内容,适合想系统了解优化理论和方法的同学阅读。

以上是一些常用的参考书,希望能够帮助你更好地学习和理解《凸优化》课程的内容。

如果你需要更多的参考书或者其他相关信息,请随时告诉我。

奇异的拓扑材料

奇异的拓扑材料

奇异的拓扑材料手机用一段时间会发热,电脑速度不够快,冰箱耗电太多——你是不是对家里的电器总是有些不满意?未来,如果能把拓扑材料应用到电器中,这些问题都可迎刃而解。

三位科学家因为在拓扑材料、拓扑相变领域的重大贡献,获得了2016年度诺贝尔物理学奖。

他们分别是英美双重国籍的大卫·索利斯,英国的邓肯·霍尔丹及迈克尔·科斯德利茨。

他们是拓扑物态研究的先驱和开创者。

他们在这个方向的早期开创性工作,为拓扑物态的发展打下了基础。

来自数学的启示在科学界有句名言:“数学是科学之母。

”在人类历史发展和社会生活中,数学发挥着不可替代的作用,也是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具。

几乎没有哪一门自然科学的研究能够脱离数学的支撑,物理学和数学的联系尤其紧密。

微积分是牛顿力学的基础,黎曼几何是广义相对论的基础,微分几何是弦理论的基础,而量子力学的每次进展也都会有矩阵、群论这些新的数学工具“加盟”……可以说,每当有新的数学工具被引入物理学,都会极大地推动物理学的发展。

同样,三位获奖者的拓扑物态研究也是建立在数学研究的基础上的。

“拓扑”一词源于数学。

“拓扑学”是近代发展起来的数学领域中一个重要的、基础的分支,研究的是几何图形在连续形变下保持不变的性质,是描述局部形变下的不变性。

拓扑研究只考虑物体间的位置关系,而不考虑它们的形状和大小。

在2016年诺贝尔奖颁奖的新闻发布会上,诺贝尔物理学奖评委会委员托尔斯·汉森从自己的午餐袋中取出了三个形状不同的面包:一个没有洞的瑞典国民肉桂卷面包、有一个洞的面包圈和两个洞的瑞典碱水面包,以便更生动地让各位媒体人了解“拓扑学”这个相对冷门的概念。

汉森解释道:“对我们来说,这三种面包是完全不同的,口味有甜有咸,形状也不一样;对于拓扑学家而言,他们关注的不同点却只有一个,那就是面包上洞的数量——肉桂卷面包上没有洞,面包圈上有一个洞,碱水面包上有两个洞。

对于这些面包,我可以弯曲它、挤压它,但如果要改变洞的数量,我就必须非常用力地撕开它才行,这就是拓扑不变量的稳定性。

拓 扑 学 奇 趣

拓 扑 学 奇 趣

拓扑学奇趣一、什么是拓扑学拓扑学(Topology)是在19世纪末兴起并在20世纪中迅速蓬勃发展的一门数学分支,其中拓扑变换在许多领域均有其用途。

直至今日,从拓扑学所衍生出来的知识已和近世代数、分析共同成为数学理论的三大支柱。

拓扑学的最简单观念产生于对周围世界的直接观察。

直观的说,关于图形的几何性质探讨,不限于它们的“度量”性质(长度、角度等等)方面的知识。

拓扑学探讨各种几何形体的性质,但是其内容却与几何学的范畴不尽相同,多数的讨论都是围绕在那些与大小、位置、形状无关的性质上。

例如,曲线(绳子、电线、分子链…)不论有多长,它可以是闭合或不是闭合的。

如果曲线是闭合的,则它可以是“缠绕”得很复杂的。

两条以上的闭曲线可以互相套起来,而且有很多型式。

立体及它们的表面可以是有“孔洞”的,在不割裂、破坏孔洞下,它们允许做任意的伸缩及变形。

这种变形不会减少或增加孔动数量,就叫做它的“拓扑性质”。

一个橡皮圈,在它的弹性限度内,任凭我们把它拉长、扭转,只要不把它弄断,那么它永远是一个圈圈。

拉长使它的长度改变了,扭转使它的形状改变了,然而在拓扑学上不会理会这些,只是专注在“它永远有一个圈圈”上。

A. 拓扑同胚与等价性质拓扑学只探讨各种几何形体的内禀特质。

一个几何图形的性质,经由一拓扑变换作用后维持不变,该性质称为图形的拓扑性质。

下面两组图形从拓扑变换角度来看,它们分别是“等价”的。

任何三角形、方形、圆形及椭圆的内禀特质,从拓扑学的立场看来,它们都没有任何区别。

然而,在初等几何学中,这些图形的形状、面积、周长等都是不相同的。

如果我们把一个橡皮制的物体X任意的扭转、拉长,但不可把它撕开或断,而得到另一形状的物体Y,我们称这两个物体X和Y在拓扑上是一种“同胚”或“等价”的结构。

广义的来说,在一个物体到另一个物体的对应关系,如果它是不间断,又不重复,则在拓扑上称这个关系在两物体间建立一个“同胚”变换。

两个物体间如果存在有这种关系,则称它们为“拓扑同胚”。

拓扑学的由来

拓扑学的由来

上面的几个例子所讲的都是一些和几何图形有关的问题,但这些问题又与传 统的几何学不同,而是一些新的几何概念。这些就是“拓扑学”的先声。
什么是拓扑学?
拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学,也就是和研究地形、地貌相类 似的有关学科。我国早期曾经翻译成“形势几何学”、“连续几何学”、“ 一对一的连续变换群下的几何学”,但是,这几种译名都不大好理解,1956 年统一的《数学名词》把它确定为拓扑学,这是按音译过来的。
拓扑学发展到今天,在理论上已经十分明显分成了两个分支。一个分支是偏 重于用分析的方法来研究的,叫做点集拓扑学,或者叫做分析拓扑学。另一 个分支是偏重于用代数方法来研究的,叫做代数拓扑。现在,这两个分支又 有统一的趋势。
拓扑学在泛函分析、李群论、微分几何、微分方程额其他许多数学分支中都 有广泛的应用。
1736年,有人带着这个问题找到了当时的大数学家欧拉,欧拉经过一番思考,很 快就用一种独特的方法给出了解答。欧拉把这个问题首先简化,他把两座小 岛和河的两岸分别看作四个点,而把七座桥看作这四个点之间的连线。那么 这个问题就简化成能不能用一笔就把这个图形画出来。
欧拉考察了一笔画图形的结构特征。发现,凡是能用一笔画成的图形,都有这样 一个特点:每当你用笔画一条线进入中间的一个点时,你还必须画一条线离 开这个点。否则,整个图形就不可能用一笔画出。也就是说,单独考察图中 的任何一个点(除起点和终点外),它都应该与偶数条线相连;如果起点与 终点重合,那么,连这个点也应该与偶数条线相连。于是,欧拉得出结论——不 可能每座桥都走一遍,最后回到原来的位置。并且给出了所有能够一笔画出 来的图形所应具有的条件。这是拓扑学的“先声”。
我们通常讲的平面、曲面通常有两个面,就像一张纸有两个面一样。但德国数学 家莫比乌斯(1790~1868)在1858年发现了莫比乌斯曲面。这种曲面就不能用 不同的颜色来涂满两个侧面。

拓扑学历史

拓扑学历史

萌芽拓扑学起初叫形势分析学,这是德国数学家莱布尼茨1679年提出的名词。

欧拉在1736年解决了七桥问题,1750年发表了多面体公式;高斯1833年在电动力学中用线积分定义了空间中两条封闭曲线的环绕数。

Topology这个词是由J.B.利斯廷提出的(1847),源自希腊文τόπος和λόγος(“位置”和“研究”)。

这是拓扑学的萌芽阶段。

1851年,德国数学家黎曼在复变函数的研究中提出了黎曼面的几何概念,并且强调为了研究函数、研究积分,就必须研究形势分析学。

黎曼本人解决了可定向闭曲面的同胚分类问题。

组合拓扑学的奠基人是法国数学家庞加莱。

他是在分析学和力学的工作中,特别是关于复函数的单值化和关于微分方程决定的曲线的研究中,引向拓扑学问题的。

他的主要兴趣在流形。

在1895~1904年间,他创立了用剖分研究流形的基本方法。

他引进了许多不变量:基本群、同调、贝蒂数、挠系数,探讨了三维流形的拓扑分类问题,提出了著名的庞加莱猜想。

拓扑学的另一渊源是分析学的严密化。

实数的严格定义推动康托尔从1873年起系统地展开了欧氏空间中的点集的研究,得出许多拓扑概念,如聚点(极限点)、开集、闭集、稠密性、连通性等。

在点集论的思想影响下,分析学中出现了泛函(即函数的函数)的观念,把函数集看成一种几何对象并讨论其中的极限。

这终于导致抽象空间的观念。

点集拓扑最早研究抽象空间的是M.-R.弗雷歇。

他在1906年引进了度量空间的概念。

F.豪斯多夫在《集论大纲》(1914)中用开邻域定义了比较一般的拓扑空间,标志着用公理化方法研究连续性的一般拓扑学的产生。

随后波兰学派和苏联学派对拓扑空间的基本性质(分离性、紧性、连通性等)做了系统的研究。

经过20世纪30年代中期起布尔巴基学派的补充(一致性空间、仿紧性等)和整理,一般拓扑学趋于成熟,成为第二次世界大战后数学研究的共同基础。

欧氏空间中的点集的研究,例如,一直是拓扑学的重要部分,已发展成一般拓扑学与代数拓扑学交汇的领域,也可看作几何拓扑学的一部分。

提出原子结构模型的科学家

提出原子结构模型的科学家

提出原子结构模型的科学家
以下是提出原子结构模型的几位重要科学家:
1.约翰·道尔顿(John Dalton):英国化学家,于1803年提出了道
尔顿原子论。

他认为所有物质都由不可再分的小颗粒组成,这些小颗粒称为原子,并具有不同的质量和化学特性。

2.J.J. 汤姆逊(J.J. Thomson):英国物理学家,于1897年提出了
“葡萄干布丁模型”,也称作汤姆逊模型。

他发现了电子的存在,并认为原子是由正电荷均匀分布在整个原子中,而电子则均匀分散其中。

3.恩斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford):新西兰物理学家,于1911
年提出了著名的卢瑟福散射实验,并提出了“太阳系模型”。

他发现了原子中极小而带正电的原子核,并将电子围绕核外运动,类似于行星围绕太阳运动。

4.尼尔斯·玻尔(Niels Bohr):丹麦物理学家,于1913年在卢瑟福
的理论基础上提出了玻尔原子模型。

他认为电子围绕在能级轨道上,只能在特定的能级上存在,电子跃迁会发射或吸收特定频率的光子。

这些科学家的工作为我们对原子结构的理解提供了重要的突破,他们的理论奠定了现代原子理论的基础。

然而,随着科技和实验技术的发展,我们对原子结构的认识仍在不断演进和深化。

2017年诺贝尔物理学奖解读

2017年诺贝尔物理学奖解读

2017年诺贝尔物理学奖解读2017年诺贝尔物理学奖授予了雷斯·托尔伯斯·哈尔迈特和巴里·C·巴里什金以及基普·S·索恩的发现,即拓扑相变和拓扑材料的理论和实验发现。

这项重要的研究成果在凝聚态物理学领域产生了广泛的影响和深远的意义。

拓扑相变理论的重要性在于它揭示了物质在转变过程中的一种全新的形态,即拓扑态。

拓扑态是一种特殊的量子态,其性质由拓扑不变量所决定,而不受具体形状和尺寸的影响。

这种特殊的性质使得拓扑态在量子信息处理和量子计算等领域具有巨大的潜力。

哈尔迈特和巴里什金的理论工作为拓扑相变提供了基础,他们通过数学和物理模型的研究,发展了拓扑不变量的概念,并提出了拓扑相变的理论框架。

他们的工作为研究拓扑态的形成和性质提供了重要的指导。

索恩的实验工作则验证了拓扑相变理论的有效性,并在实验室中首次观测到了拓扑材料的存在。

他们利用先进的实验技术和仪器,成功地合成了一些具有特殊拓扑性质的材料,并通过测量和分析揭示了这些材料的拓扑性质。

这些实验结果为进一步研究拓扑相变和拓扑材料提供了实验验证和实际应用的基础。

这项研究成果的意义在于它不仅推动了凝聚态物理学的发展,还为实现新型电子器件和量子计算等领域的技术革命提供了新的思路和可能性。

拓扑材料的研究不仅有助于我们更深入地理解物质的基本性质,还为开发更高效、更稳定的电子器件和量子计算器件提供了新的材料平台。

总而言之,2017年诺贝尔物理学奖的授予表彰了哈尔迈特、巴里什金和索恩在拓扑相变和拓扑材料领域的杰出贡献。

他们的理论和实验工作为我们揭示了拓扑态的奇妙性质,并为未来的科学研究和技术创新提供了重要的指导和启示。

拓扑学简介

拓扑学简介

拓扑学简介
简介
年后拓扑学发展迅速,逐渐地数学家将这个学科分为三个分支:
代数拓扑学(伦移等问题)
几何拓扑学(有名的庞加莱猜想属于此类,已为俄罗斯数学家佩雷尔曼解决。


微分拓扑学研究可以微分结构等等
这些分支的基础是研究一般的拓扑空间的点集拓扑学。

但是随着时间的发展这些区分又越来越显得是人为的区分了。

年代初已经开始的许多研究成果引致几何拓扑学本身变化了。

年史提芬·斯梅尔化解了高维中的庞加莱悖论,这使三维和四维变得尤其困难。

事实上这些困难的化解须要代莱技术,而与此同时高维提供更多的自由度使换球之术的问题也沦为可以排序的问题了。

威廉·瑟斯顿在年代末明确提出的几何化悖论提供更多了在低维中几何与流形之间的关系的理论基础。

瑟斯顿采用过去在数学中只是较弱地互相关联的分支的相同技术化解了haken 流体的几何化问题。

年代初沃恩·琼斯辨认出的琼斯多项式为浴室柜理论提供更多了代莱方向,同时也给数学物理与低维拓扑学之间至今年才依然未明了的关系提供更多了代莱促进。

这些发展使得几何拓扑学被更好地应用于数学的其它领域了。

2016诺贝尔物理学奖揭晓:三位拓扑领域美国大学教授获奖

2016诺贝尔物理学奖揭晓:三位拓扑领域美国大学教授获奖

2016诺贝尔物理学奖揭晓:三位拓扑领域美国大学教授获奖2016年度诺贝尔物理学奖刚刚揭晓!获奖者为戴维·索利斯(David Thouless)、邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)。

今年的诺贝尔物理学奖奖金,一半授予美国华盛顿大学的David J.Thouless,另一半授予美国普林斯顿大学的F.Duncan M.Haldan以及布朗大学的J.Michael Kosterlitz。

以奖励他们“在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现”。

二维世界中的奇异现象今年的物理学奖获奖人开启了通往奇异物质状态研究的未知世界的大门,他们的成果促成了物质科学理论方面的突破并带来了新型材料研发方面的崭新视野。

戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨借助先进的数学方法来解释在不同寻常的物质相(或状态)中出现的奇异现象,如如超导体,超流体或是超薄磁膜等。

科斯特立茨和索利斯对二维世界中的一些现象开展了研究,简单来说就是在平面上,或者极薄的薄层内部的现象。

相比之下,现实世界是一个三维世界,拥有长宽高三个维度。

霍尔丹还对极细的现状材料进行研究,这些物质可以被视作是一维的。

二维世界内发生的物理现象与我们所熟悉的三维世界内的物理现象存在很大不同。

即便非常稀薄的物质内都会含有数以百万计的原子,即便每个原子的行为都能够用量子力学原理进行解释,但当大量原子聚集在一起时,它们却会表现出完全不同的奇异性质。

在二维平面上,类似的原子聚集后产生的反常行为不断被观察到,时至今日,专门对这类现象开展研究的凝聚态物理学已经成为物理学中的一个重要领域。

今年的三位获奖人将数学中的拓扑概念应用于相关研究,并取得了突破性的发现。

拓扑是一种数学的概念,描述的是以整数变化的属性。

运用这一工具,今年的获奖人得到了意想不到的结果,开启了研究的崭新大门,并直接导致物理学多个领域内引入了一些全新且至关重要的概念。

简述泡沫物理学史

简述泡沫物理学史

简述泡沫物理学史摘要看似平常的泡沫,却具有奇异的特性,比方几乎完全由空气组成的泡沫,既能像固体一样发生弹性形变,又能像流体一样发生流动,这正是泡沫物理学的研究内容.泡沫物理学是一门古老的学科,气泡和泡沫构造静力学的描述早在19世纪中下叶已经完美,之后没有大的开展,一直到19世纪90年代前后,流体力学,微观显像技术和计算技术等学科的开展,以及材料科学和工业生产的需求,泡沫物理的研究再次有了生气.关键词液态泡沫,泡沫物理学,软物质1泡沫的内在规那么构造液态泡沫是大量气泡在微量外表活性剂溶液中密集堆积形成的、高度自组织的非平衡系统.平时我们用洗洁精刷洗盘子时,或者从微小开口喷嘴向洗洁精溶液中吹入气体,都能形成泡沫.泡沫外表杂乱无章,内部却具有规那么的构造.柏拉图〔Joseph A.F. Plateau,1801—1883,比利时物理学家〕确定了泡沫构造平衡法那么[1].首先,4个气泡形成一组相互作用的根本单元(气泡大小为10μm—1cm),相交于一个交汇点(vertex, junction 或node);每3个气泡围成一个凹三角形柏拉图通道(plateau border),那么4个气泡共形成4个柏拉图通道,其曲率半径为rPb(大小为~1μm — 1mm),它是由液体体积分数、外表X力以及界面力协调决定的.柏拉图通道长度LPb约为气泡大小的1/3,柏拉图通道要比交汇点薄一些.每两个气泡间形成一个液膜(film),4个气泡共形成6个液膜.液膜厚度一般为10—1μm,是气泡间的最小别离距离.液膜间以及柏拉图通道间的夹角分别为arc cos(-1/2)=120°和arc cos(-1/3)≈ 109. 47°.泡沫中的液体分布在液膜、柏拉图通道和交汇点上,当液体体积分数≈36%时,气泡为圆球状,气泡间的接触缩为一个点,此时液膜消失,仅剩柏拉图通道和交汇点,泡沫的力学特性发生突变,在泡沫物理学的研究中极其重要,因此≈36%称为临界液体体积分数(wet limit).当>36%时,泡沫系统演变为鼓泡流(bubbly liquid)或者气液两相流(gas/liquid flow),不再属于泡沫物理的研究范畴.早期的泡沫和液膜研究,散见于一些数学家的研究工作中,他们提出了一些重要的思想,并没有做更深入和全面的分析,更没有从物理角度研究这些构造的形成原因.比方,公元四世纪,古希腊几何学家Pappus of Alexandria在?On the sagacity of bees?一文中提到蜜蜂具有理解几何对称的灵性,天生就知道如何用最少量的蜂蜡构建正六边形的蜂巢,紧接着他提出了一系列的思考:蜜蜂如何把平面等分割成等边长单元的呢?对平面而言,为什么只有等三角、等四边、等六边形能周期性的排布成平面,而其他等边形那么不行?蜜蜂为什么选择面积恒定时周长最小的正六边形?达尔文(Charles Darwin)曾于1859年创立了著名的进化论,第一次把生物放在科学的根底上.他称赞蜂巢,这是自然界的杰作,在节省材料和劳力方面是完美的.17世纪蓬勃开展的近代科学,强劲地推动了人类对空间构造的不懈探索,比方开普勒猜测〔1611〕、柏拉图猜测(约1873)、开尔文猜测〔约1887〕和庞家莱猜测(1904)等著名数学难题,吸引了几代物理学家和数学家共同努力,呕心沥血,力争得到完美解答.其中柏拉图猜测以及受柏拉图工作的启发而提出的开尔文猜测都涉及液膜和泡沫构造问题.1873年柏拉图[2]出版了两卷本书:?StatiqueExpérimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules ForcesMoléculaires?,标志着泡沫物理学中的静力学和构造描述已经接近完美.这本书的英文名字为:?Experimental and Theoretical Statics of Liquids: Subject to Molecular Forces Only?.在此后的近100年间,由于两次世界大战和内战爆发,整个科学研究都受到不同程度的冲击,泡沫物理学也不例外;1950年以后,泡沫物理学的研究虽然恢复生机,但根本上还是延续泡沫或液膜构造的研究,比方物理学家和数学家对开尔文猜测和柏拉图猜测等开展的研究,仅限于局部完善和修补.2 泡沫静力学和构造法那么柏拉图曾于1832年创造了诡盘〔phenakistiscope〕,制作成动画装置.28岁时,为了研究视觉暂留效应,直接用肉眼观测太阳,确定闭上眼睛后太阳影像在大脑中的保存时间,结果他只看了十几秒,眼睛就局部失明了.1841年,在他40岁的时候眼睛完全失明,在后来漫长的“黑暗〞岁月里,他坚持对肥皂泡薄膜和气泡的几何形态进展研究.他首先设计出一个实验,然后指导他的侄子进展实验,柏拉图再对所得结果进展分析.比方,柏拉图“发现〞把线状框架浸入肥皂液中再拿出来时,支架上有一层或多层薄膜.他设计了80多种不同形状的框架.他和他的侄子前后困难地工作了几十年,把实验现象和分析结果系统整理,1873年出版了著名的法文书:?Statique Expérimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moléculaires?,见图4.Kenneth Brakke把这本书翻译成英文(/facstaff/b/brakke/PlateauBook/PlateauBook.html 可下载).在这本书中,柏拉图提出了泡沫构造平衡法那么,将泡沫构造的研究推向了量化阶段,从这个意义上说,柏拉图开创了泡沫物理学,为以后的研究打下了坚实根底.书名中的Seules Forces Moléculaires有些晦涩,柏拉图的原意是指不考虑重力的影响,液膜和气泡仅在内在分子作用力下发生演变.目前,微重力泡沫实验主要是在国际空间站(Internatioanl Space Station, ISS),在飞机抛物线飞行(Parabolic flight)时,或者在重力落塔(drop tower)中进展.柏拉图当时缺乏必要的实验条件,不得不采用液液界面强有力的分子间作用力来减弱重力的影响.在思考框架内液膜形态遵循什么法那么时,柏拉图认为,稳定的液膜形状应该具有最小面积,这就是液膜面积最小的柏拉图猜测,正如肥皂泡往往是球形的,是因为在给定体积时球形的面积最小,因而也最稳定.柏拉图猜测如同庞家莱猜测、开尔文猜测以及17世纪早期的开普勒猜测一样,一直是物理学家和数学家积极关注和研究的焦点之一.1943年,匈牙利数学家Tóth巧妙地证明了在所有首尾相连的多边形中,正多边形的周长是最小的.当多边形的边是曲线时,Tóth认为正六边形与其他任何形状的图形相比,它的周长最小,他并不能证明这一点.美国数学家Frank Morgan 认为,Tóth考虑的多边形边数最多为6,但是从严格数学证明的角度来看,考虑更多的边数更有利于这个问题的最终解决.1976年,美国数学家Jean Taylor 和Frederick Almgren 得到了柏拉图猜测的数学推导,证明了在最小面积的前提下,当3个液膜连接在一起时,液膜间夹角是120°,4个液膜连在一起夹角为109.47°,但是大家认为,该证明存在不完整和不清晰的局部.从1992年开场,美国数学家Thomas C. Hales沿着Tóth的思路,使用计算机辅助证明了开普勒猜测.经过6年的运算,于1998年8月Hales宣称解决了开普勒猜测,他的整个证明共250页及3Gb的计算机数据,公开放在他的个人网页上让同行验证〔/~hales/〕.数学家们普遍认为此次证明的正确性很高,但仍然有待考证.Hales还考虑了周边是曲线时,无论是曲线向外突,还是向内凹,由许多正六边形组成的图形周长为最小,亦即解决了柏拉图猜测.Denis Weaire认为,如果Hales的证明经得起时间的考验,那么这将是出色的双重成就.在应用方面,德国建筑师罗尔夫•古特布罗德和弗赖•奥托为1967年在加拿大蒙特利尔举办的世界博览会(Expo’67)设计的德国馆,采用了柏拉图的最小面积猜测,.这是第一次创造性地大规模应用薄膜建筑技术,屋面用特种柔性薄膜材料敷贴,呈半透明状,具有重量轻且空间较大的优点,为世人所瞩目;德国馆的成功启发了1972年慕尼黑奥运会体育场构造和建筑造型的设计.1917年,在剑桥大学出版的达西•汤普森〔D′Arcy Wentworth Thompson〕的?On Growth and Form?一书中,把柏拉图提出的外表能最小法那么应用到生物学中,从数学和物理学层面分析生命的进程.当时英国科学的研究正处于顶峰时期,这本著作产生了重大的影响,被誉为“既是优美的文学又是高深的科学;既是科学论文,又是娓娓道来的散文〞.该书第二版的中文版已经由XX科学技术出版,书名为?生长和形态?.纵览泡沫物理学开展历程,可以说柏拉图对泡沫的几何表征、力学平衡规那么、甚至产生液膜的化学试剂的纯度和浓度做出了全面的科学奉献.不仅如此,这位盲人科学家献身科学的精神得到了同时代物理学界伟人的崇高评价,更为后人所敬仰.3 开尔文泡沫构造猜测柏拉图的工作在当时广为流传,威廉姆•汤姆孙〔William Thomson,1824—1907〕,即以后的开尔文勋爵〔Lord Kelvin〕深受启发,进而对泡沫空间构造做出了重要奉献.大家所熟知的是他在电磁学和热力学方面的奉献,比方在1848年提出、在1854年修改的绝对热力学温标.该温标在100年后,亦即于1954年国际会议确定为标准温标.1858年,汤姆孙成功地指导铺设了大西洋海底电缆,因此于1866年被英国王室封为爵士,后又于1892年被授予开尔文勋爵的封号.开尔文一生的科学活动是多方面的,对泡沫物理的研究也起了极大的促进作用.19世纪经典物理学根本完善,比方电动机和无线电收发报机的产生,标志着电和磁的研究成果已经绝大多数运用到技术上了.19世纪是探索以太的世纪,当时科学家认为宇宙是由看不见且没有摩擦的连续介质——以太构成,探索以太的存在和性质摆在了当时科学的首要位置,像把“光行差〞归之于以太的作用;认为光是靠以太的振动来传播的;认为以太具有刚性,就具有抵抗形状扭曲的能力,以太可以传播横波等都成为当时著名的观点.开尔文那么认为以太具有泡沫一样的几何构造,因此他就试图探索完美的泡沫构造应该是什么样的.他认为气泡具有相等的体积,这样就把以太的研究转变为一个纯粹的数学问题:如果把空间分割成大小一样的气泡,在满足柏拉图的构造平衡法那么时,面积最小的气泡形态是什么?(What regular partition of space into cells of equal volume has minimal surface area?).这就是1873年提出的开尔文猜测,把开普勒猜测拓展到泡沫构造的最优堆积上.[ 4 ] 开尔文还进展了大量实验.开尔文的外甥女Agnes Gardner King在1887年秋天看望开尔文后,这样描述开尔文研究泡沫构造的情形[4]:“…Uncle William and Aunt Fanny met me at the door, Uncle William armed with a vessel of soap and glycerine prepared for blowing soap bubbles, and a tray with a number of mathematical figures made of wire. These he dips into the soap mixture and a film forms and adheres to the wires very beautifully and perfectly regularly. With some scientific end in view he is studying these films…〞(“……我在门口看到了威廉叔叔和Fanny阿姨,威廉叔叔手拿一个器皿和一个托盘,器皿里装着加了甘油的肥皂水,打算用来吹肥皂泡,托盘里放着数个用金属丝扭成的数学图案.他把这些金属图案在肥皂水里蘸湿后,这些金属丝上就会附着上了液膜,它们的形状非常规整、非常漂亮.他用他科学的思维来研究这些液膜.……〞).开尔文研究了大约两个多月后,在1887年11月4日,终于找到了答案,这是一个由14个面组成的三维构造球体(tetrakaidecahedron),其中6个面是4边形,8个面是6边形,被称为开尔文单元(Kelvin cell),它按照BCC(body\|centered cubic) 排布,具有高度的对称性.1887年11月20日,开尔文在给Rayleigh的信中说,自己目前正在从事崭新的泡沫构造的研究工作〔“…I have been involved in another affair …which George Darwin characterises as utterly froth…〞〕.开尔文单元构造是最优美、最对称的三维单元构造之一,尽管一直没有得到证明,但是一个多世纪以来得到了数学家们的认可.1952年,美国数学家Hermann Weyl 在他的?Symmetry?一书中首次表示开尔文构造是正确的,没有给出相关的数学证明.4 Surface Evolver 和Weaire\|Phelan构造Kenneth Brakke是美国Susquehanna University 数学系几何中心的教授.他于1992年创造了计算最小能量液膜形态的软件“Surface Evolver〞[7].它能够数值求解液膜的Gauss\|Laplace方程,演化液膜形状.由于该方程是非线性偏微分方程,在绝大多数情况下,没有数值解,Surface Evolver软件那么成为最终解决方案;它可以方便直观地进展图形演示和输出,易于使用.在Surface Evolver软件中,液膜被离散为假设干微小三角形网格,可以处理复杂拓扑构造,比方4个柏拉图通道构成的交互点〔junction〕;在给定初始形状下,采用共轭梯度方法寻求最小能量的状态,在这里能量可以为外表能、重力势能,也可以根据实际情况自行定义能量;在处理边界时,可以方便地人为设定,比方研究重力作用下不同接触角对应的液滴形状时,接触角依据实际情况输入.Surface Evovler软件大大促进了物理学家和数学家对空间最优构造的探索进度,并由此得到了更优的泡沫构造.另外,该软件已经用于泡沫动力学的研究,比方二维泡沫的剪切形变和内部拓扑变化等,还应用于空间泡沫材料、生物细胞构造等科学前沿的研究中.英国皇家学会院士、伦敦大学教授Alan L. Mackay这样评价Surface Evolver软件:“The evolver is a spectecular example of the effects of a gift to science which advances a whole field.〞〔“Evolver软件推动了整个泡沫领域的科学研究,这在科学研究中是非常突出的例子.〞〕一个典型的例子就是Wearire和Phelan[8]采用Surface Evovler软件发现了一种新的Weaire-Phelan (WP)构造单元,.他们在探索泡沫构造时,把目光转向化学包合物〔clathrate〕.化学包合物是一种特殊类型的化合物,由分子被包在晶体构造的空腔或大分子固有的空腔中形成.各组分间按一定的比例结合,但不是靠化学键力而是靠组分间的严密吻合,使较小的分子不致脱离.比方化合物Na8Si46有8个钠原子被包在晶体构造的空腔中,而晶体构造的节点是46个硅原子.分析说明,这一构造服从柏拉图构造平衡法那么.另外,实验检测也证明,Na8Si46的这种排布具有很小的面积,一个Na8Si46分子有8个格子, 其中6个是十四面体,2个是十二面体.利用这样的化合物分子作为构造模型,Weaire 和Phelan 采用Brakke 开发的Surface Evolver软件进展计算,发现了WP构造单元,它具有两种体积相等、但形状不同的气泡单元:一个是正十二面体〔dodecahedron 〕,另外一个是十四面体〔tetrakaidecahedron〕〔其中包括2个六边形和12个五边形〕,见图14.在同等体积时,WP单元构造面积比开尔文单元构造的面积少0.3%,这在数学上有重要的意义.WP单元构造是由两个不同的气泡构成的,而开尔文单元构造是一个气泡,目前尚没有严格的数学证明WP 构造是最优的,或者开尔文单元是最优的单气泡,估计这需要相当长的时间.另外,自然界还有很多包合物,具有不同的构造.对它们的细致分析有可能发现更优的构造,但是对他们进展挑选和分析,需要花大量的时间.Hales认为:“I suspect that it will be 20 years or more before this question is finally resolved〞〔“我认为要解决这个问题至少要花20年的时间〞〕.Brakke回忆说,他错过了发现Weaire-Phelan 构造的好时机.早在1960年Linus Pauling 出版的书?Nature of the Chemical Bond?〔第三版,康乃尔大学〕,就已经明确指出了化合物Na8Si46具有一特定晶体构造,也就是1993年Weaire和Phelan 发现的WP构造,.Brakke说这本书就在距他办公桌不到10 英尺的书架上,一躺就是10年,而他却浑然不知.他从1991年开场在这本书的旁边孜孜以求,试图突破开尔文单元构造.后来他说如果当时偶然看到这本书的第471页Na8Si46的晶体构造时,很可能会早于Weaire和Phelan 发现这一构造.5 泡沫动力学自1970年后,泡沫动力学的研究逐渐被重视起来.一方面受益于相关学科的开展,比方流体力学、微观显像技术和计算技术,另一方面是材料科学和工业生产的驱动,比方航空航天材料需要轻质、高强度的泡沫材料,而泡沫材料内部构造均匀是最关键的,同时在工业生产,不管是希望消除泡沫〔比方化工中〕还是保存泡沫〔比方泡沫灭火剂〕,泡沫稳定性的控制是关键,这样就大大促进了泡沫动力学的研究.泡沫动力学的研究主要涉及渗流(foam drainage)、粗化(bubble coarsening)、液膜破裂(film rupture)和流变性能等方面,每个方面都很困难.液态泡沫是一个非平衡系统,表现为它的构造随着时间发生演化,一般涉及三个机制:(1)重力作用下气泡间的液体渗出,使得气泡与液体别离,称为泡沫渗流;(2) 气泡间液膜的破裂造成相邻气泡合并,称为液膜破裂;(3) 分子通过液膜从内部高压强的小气泡中向相邻低压强的大气泡扩散所造成的气泡合并,称为气泡粗化.在以上三个非平衡机制中,气体扩散过程比拟缓慢,液膜破裂可以采用适宜的外表活性剂予以消除,重力驱使的泡沫渗流那么不可防止,直接影响泡沫稳定性,因而泡沫渗流的调控具有明确的应用价值和理论意义.这三个机制又相互关联:当渗流发生时,液膜内微量液体的流动会影响气泡间的气体扩散;同时液膜破裂和气体扩散过程导致气泡平均直径增加,又会加快微量液体渗流.这三种机制相互关联,使得液态泡沫呈现出随时间不断变化的非平衡特性.目前,人们对于这些影响泡沫稳定性的机制没有完全了解.液态泡沫的独特流变特性,在常规重力或较小外力下,缺乏以使得液态泡沫流动,此时液态泡沫就像固体,具有一定的弹性.泡沫的剪切模量来自液膜外表X力,与气泡大小和液体体积分数有关,一般在10Pa的量级,相比之下钢的剪切模量为8×1010Pa.当形变较大时,局部气泡间发生拓扑变化,当应力逐渐消去时,这种拓扑变化不会复原.1999年,Weaire 和Hutzler[10]合写的泡沫物理学专著?The Physics of Foams?,成为继柏拉图所著的?Statique Expérimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moléculaires?之后的另一本标志性著作,见图18.?The Physics of Foams?不仅总结了泡沫静力学和构造方面的最新研究进展,而且用一半篇幅来介绍泡沫动力学方面的最新工作.该书自出版以来得到了众多著名科学家的高度评价,比方:法国物理学家P. G. de Gennes[11](1933—2007,1991年物理学诺贝尔奖获得者)的评价:“…the book represents a major advance. It is written in a pleasant style and is accessible to a wide population of physicists.〞〔“……这本书标志了一个重大的进步.书的内容深入浅出能为绝大多数物理学家读懂〞〕;英国物理学家G. C. Barker[12]的评价是:“…the authors′coherent account will benefit researchers at all levels. In addition, Physics of Foams includes many beautiful photographs and puter-generated illustrations of foam structures... that will ensure the continued fascination of all readers.〞〔“……作者连贯的阐述有益于不同水平的研究人员.此外,这本书中还有很多漂亮的图片以及一些用电脑生成的泡沫构造插图……这些将必然引起读者强大的兴趣〞〕.6 完毕语泡沫物理学在历史长河中困难的行走了近两个世纪,柏拉图和开尔文等伟人的光辉照耀了我们前行的路,泡沫动力学的研究是我们所要力攻的堡垒.现有的物理理论和实验检测等诸多方面都还不完整,巴黎第七大学的(Université ParisDiderot-Paris 7)Wiebke Drenckhan 曾形象地说:“this subject is still in its infancy〞〔“这门学科仍处于幼年时期〞〕.在国内,泡沫物理的研究寥假设晨星,只有少数文献报道了关于泡沫材料制备工艺控制和多孔介质渗流等的工业应用研究,报道研究的角度多为在泡沫材料及多孔介质内流动的物质本身的物理化学性质以及环境宏观性质(如温度、压力等)对渗流的影响,对材料构造的根底理论研究报道并不多.泡沫流变特性和渗流的研究是目前和今后很长一段时间内的研究热点[13],利用多尺度方法,在整个泡沫对应的宏观尺度检测液体渗流,验证和改良现有的理论;在多气泡的介观尺度(因为泡沫中的拓扑变化主要发生在局部)观测泡沫中微流动引起的气泡协调变形甚至拓扑变化;在单气泡微观尺度分析渗流时柏拉图通道和交汇点的位移,以及探索非常规重力环境下的泡沫体系的构造和力学特性演变等方面,加强泡沫渗流机理的理论和实验研究将是我们追赶国际水平的一个很好的切入点. 参考文献[1]孙其诚, 黄晋. 物理, 2006, 35:1050[Sun Q C, Huang J.Wuli(Physics), 2006, 35:1050(in Chinese)][2]Plateau J A F. Statique Expérimentale etThéorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moléculaires. Paris: Gauthier Villars, 1873[3]Hutzler S, Weaire D, Cox S J et al. Europhys Lett., 2007, 77: 28002[4]Ed. Weaire D. The Kelvin Problem. Foam Structures of Minimal Surface Area. London: Taylor & Francis, 1997[5]Maxwell J C. Nature, 1874, 10:119[6]Thomson W, Lord Kelvin. Phil Mag., 1887, 24:503[7]Brakke K. Exp Math., 1992, 1:141[8]Weaire D, Hutzler S. The Physics of Foams. England: Oxford University Press, 1999[9]Ball P. Nature, 2007, 448: 256[10]Weaire D, Phelan R. Phil Mag Lett., 1994, 69: 107[11]Weaire D, Hutzler S. Physics Today, 2001,54(3):54[12]Barker G C. Science, 2000, 289: 398[13]黄晋, 孙其诚. 力学进展, 2007, 37:269[Huang J, Sun Q C. Advances in Mechanics. 2007, 37:269( in Chinese)]。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2 Departmento
Abstract 1 -BPS type IIB supergravity We study how geometrical and topological aspects of certain 2 solutions are captured by the N = 4 Super Yang-Mills gauge theory in the AdS/CFT context. The type IIB solutions are completely characterized by arbitrary droplets in a plane and we consider, in 1 -BPS operators of the gauge theory with single particular, concentric droplets. We probe the dual 2 traces and extract their one-loop anomalous dimensions. The action of the one-loop dilatation operator can be reformulated as the Hamiltonian of a bosonic lattice. The operators defining the Hamiltonian encode the topology of the droplet. The axial symmetry of the droplets turns out to be essential for obtaining the spectrum of the Hamiltonians. In appropriate BMN limits, the near-BPS spectrum reproduces the spectrum of near-BPS string excitations propagating along each individual edge of the droplet of the dual geometric background. We also study semiclassical regimes for the Hamiltonians. We show that for droplets having disconnected constituents, the Hamiltonian admits different complimentary semiclassical descriptions, each one replicating the semiclassical description for closed strings extending in each of the constituents.
1
Introduction
The notion of emergent geometry in the AdS/CFT correspondence [1] holds certain appeal. The general idea is that judicial choices of BPS operators in the gauge theory are capable of encoding the characteristics of the corresponding dual geometries [2, 3]. 1 -BPS operators of N = 4 SYM A paradigmatic example was provided by [2], focusing on the 2 constructed exclusively from a complex adjoint chiral scalar Z . The dynamics of this sub-sector can be described by gauged harmonic oscillators, which in turn can be mapped into a Fermi problem. The ground state of the system corresponds to a completely occupied Fermi sea forming a disc in the phase space. This distribution, known as the droplet, can then be associated, at the semi-classical level, with the allowed eigenvalues of the scalar field Z [2]. Other 1 2 -BPS ‘excitations’ correspond to disc distortions, further splitting into isolated droplets and creation of holes within these droplets. All these lead to droplets with non-trivial shapes and topologies [3, 4, 5, 6]. This class of 1 2 -BPS states preserve 16 supersymmetries as well as a bosonic R × SO(4) × SO(4) symmetry group. The dual type IIB supergravity backgrounds, known as Lin-Lunin-Maldacena (LLM) geometries, were constructed by fibering two S 3 over a two dimensional plane [3]. The base of the fibration in this construction was proposed to be identified with the droplets describing the eigenvalue distribution in the gauge theory. In particular, the AdS5 × S 5 geometry is shown to correspond to a circular disc droplet, whereas single particle and hole creations were identified with the nucleations of a giant graviton in AdS5 and S 5 respectively [2, 3]. The bottom line of the construction is that when the number of giant gravitons becomes large, the back-reacted non-singular geometry gets parameterized in terms of a single scalar function obeying a Laplace-like differential equation whose boundary conditions on a two dimensional plane can only take the values ± 1 2. Generically, a probe closed string propagating on a LLM geometry should be seen in the dual gauge field theory as a non-BPS operator given by a single trace operator describing the excitations (probe string) on top of a 1 2 -BPS operator (LLM geometry). The study of the one-loop anomalous dimensions for such gauge theory operators turns out to be very rewarding. For the case of simply connected droplets, the gauge theory Hamiltonian describing probe strings was recently derived [7]. This Hamiltonian can be written in terms of certain operators obeying an algebra that encodes, in a simple fashion, the moments describing the geometry of the droplet. Moreover, using the coherent state basis for the operators, a semi-classical action was derived, from which it was possible to reconstruct the region of the LLM droplet plane where the dual string propagates [7]. The approach described in [7, 8, 9] is similar in spirit to the coherent state approach in the context of spinchain/spinning string correspondence [10, 11], where the coherent state action for the integrable spin chain Hamiltonian [12] was identified with the spinning-string action in certain “fast-string” limit. Making the existing picture more precise is the focus of our paper. In particular, we will obtain quantitative information about the dual metric, for droplets of general shapes and topologies, from gauge theory computations. For definiteness we will consider non-BPS excitations, or string probe states, in topologically non-trivial LLM backgrounds, evaluate their scaling dimensions and importantly, distinguish them from their counterparts in AdS5 × S 5 . From the dual gauge theory perspective, the key steps towards these aims amount to defining the appropriate field theory operators and compute the action of the dilatation operator whose eigenvalues give the scaling
相关文档
最新文档