辫子和结 在共振器里发现了以前未被物理学家注意到的数学特征
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辫子和结 在共振器里发现了以前未被物理学家注意到的数学特征
在每个共振器的核心——无论是大提琴、引力波探测器还是手机中的信号接收器——都隐藏着美丽的数学知识。
耶鲁大学物理学家Jack Harris和Nicholas Read知道这一点，因为他们在数据中发现了埋于其中的珍宝。
根据刊登在Nature上的文章，Harris、Read和其他合著者描述了共振器以前未知的特性。共振器或共鸣器是仅以特定频率组振动的物件。它们普遍存在于传感器、电子仪器、乐器和其他设备中，用于产生、放大或检测特定频率的振动。
耶鲁团队发现的新特性源于高中生都能理解的方程，但物理学家并未将其视为共振器的基本原理。
当我们“调整”共振器绘制谐振频率如何变化的图表时，图像可以显示成辫子和结——数学中的拓扑概念。
“共振相互缠绕。这太棒了。”Harris说。“这意味着你为乐器调音时，都是在编一个辫子。如果你让两个共振相等，你就在打一个结。”
Harris是实验物理学家。他的主要工作是探索拓扑和量子力学影响声光的方式。通常，他使用在物理腔中捕获光或声音的共鸣器。
然而，尽管这项工作具有高科技性质，但也适用于更简单的仪器。
“如果你正在设计一把小提琴，并且想知道它振动的所有可能方式，那么你正在做的事情就与我们在实验室中所做的一样。这就是振动的物理学。”
几年前，Harris在调整空腔时，数据出现了一些奇怪特征。他求助于同事Read，后者是耶鲁大学亨利福特二世物理学教授和应用物理学和数学教授。
Read解释说，这些特征是辫子，只是基础数学的表现形式。
Harris说：“但是当他解释我们的数据应该包含三叶结时，我被迷住了。”
三叶结是在许多文化中发现的图形。它也出现在 M.C.埃舍尔的艺术作品中。数学家对这种类型的结非常熟悉，但它们在物理学中并不常见。
Harris和Read设计了一个实验，他们调整了共振器的3个频率，并且确实观察到了预测中的辫子和结。
这一发现虽然在数学上很显然，但可能对物理学家和工程师有用。“知道频率可被编织成三叶结或辫子，这是一个潜在的有用工具。那是因为辫子是一个拓扑对象，这意味着一般的形变不会改变其特征。除非破坏其本质，否则它总是辫子。这就有了一种特殊的鲁棒性，以防止依赖精确调谐共振器的应用程序中出现错误。”
https://phys.org/news/2022-07-resonator-elegant-math-humble-physics.html
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