十个有趣的物理现象

在未知世界中的新发现：新物理学预测了不规则物体的滚动运动

哈佛大学的科学家们对于我们所处的这个看似不规则的世界进行了一项深入的探索，揭示了一个令人惊讶的现象：传统的物理定律在这个充满不规则形状的世界中可能会遭遇挑战。由哈佛大学约翰A保尔森工程与应用科学学院的教授L马哈德万领导的团队，对不规则物体的复杂物理学进行了研究。他们的工作从模拟实验转向现实世界的测试，得出了令人的结果。

马哈德万教授表示：“我们身处的世界看似平常，但其中隐藏着许多奥秘。如果我们能够停下来深入思考，也许就能理解这个世界以及我们自身。通过探索这个看似简单的问题，我们将数学和物理学的不同领域联系起来，发现了新的观点和见解。”

研究团队首先进行了计算机模拟实验，模拟了略微不规则的球体和圆柱体在不同倾斜度的斜坡上的滚动。他们的模拟结果显示，即使是不规则的物体，其滚动运动也遵循一定的规律。在较陡的斜坡上，物体滚动的倾向更高，而在较平坦的平面上则更容易步履蹒跚。当物体到达运动停止的临界点时，研究团队发现了最有趣的现象。

该团队的主要作者钱道源教授说：“在临界点附近，物体的行为表现出相变或分叉的特征，两种状态在质量上存在显著差别——滚动和不滚动。我们通过测量熵来更好地理解这种行为，观察每个物体停止之前的最终滚动速度。”

他们的分析表明，惯性和物体尺寸对滚动行为有着显著影响。当物体进入稳定的滚动状态时，其滚动时间理论上会趋于无穷大。有趣的是，由于球体能够在多个方向上滚动穿过其整个表面，因此球体的行为不同于圆柱体。

为了验证模拟结果，研究团队在现实世界中进行了一系列实验。他们在不同倾斜度的斜坡上使用不规则的圆柱体和球体，发现实验室结果在很大程度上与模拟结果一致。虽然初看起来滚动球体的运动似乎是随机的，但当他们绘制出运动图时，却出现了一种可预测的模式。一旦达到稳定状态，球体就会重复周期。

钱教授解释道：“这是我们未曾预料到的。”尽管他们感到惊讶，但他们还是找到了可以解释这种现象的数学定理。其中包括毛球定理和狄拉克的盘子技巧。这些理论揭示了物体在滚动过程中的周期背后的原理。

这项研究不仅仅是对物理学理论的探索，它还具有实际应用价值。例如，在纳米级细胞运输和机器人技术中，了解不规则物体的滚动规律可以帮助我们更好地设计和控制这些技术。钱教授还指出，这项研究也有助于我们理解保龄球的滚动方式等现实生活场景。

这项研究的有趣之处在于展示了如何通过以不同的方式思考来简化非常复杂问题的可能性。通过探索这个简单问题的不同方面，研究团队将数学和物理学的不同领域联系起来，为我们对世界的理解提供了新的视角和见解。