窗花与物理学的对称性

作者: Norma

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-01-19

本文探讨了窗花这一传统民间艺术与物理学中对称性及其破缺之间的关系,介绍了剪纸的技法、对称性的概念以及在物理学中的应用,特别是与二次谐波和相变相关的现象。

快过年了,不准备点窗花都不能说自己学过物理了?!

提起这个月的工作重点,相信大家都会不约而同的说出——坐等过年!虽然距离过年还有一段时间,但烘托过年氛围的物件已经可以开始准备起来了!寒冷的冬天,在表面微微结霜的窗户上贴上精致有趣的窗花,是小编过年最喜欢的活动之一啦!

窗花,作为一种古老的民间艺术,贴在窗户上蕴含着满满年味儿,承载了上千年的农耕文化,从宋朝、元朝逐渐流传,逐渐成形。在明清时期,剪纸手工艺术达到了鼎盛时期。时至今日,窗花依然寄托着大家的美好愿望,将节日装点得红火富丽、喜气洋洋。

剪纸是一种镂空连接的艺术品,按照镂空形式可以分为阴剪(刻)、阳剪(刻)两大类。阴剪是将图形从纸上剔除,具有“线线相断”的特点;而阳剪是将图形保留,具有“线线相连”的特点。很多图案具有对称性的剪纸作品都是通过折剪的方法得到的——将纸张以各种不同方式折叠为多层,在折好的纸上进行剪镂。通过这样的方法,会在折缝上留下连接点,打开来就是一张具有对称性的剪纸作品。

除了技法之外,剪纸作品的图案内容也是非常丰富多彩的,通常是吉祥题材剪纸,多为花卉植物、动物飞禽、瓜果虫、鱼、山水风景、人物题材和劳动题材。生肖也是剪纸作品的重要题材之一,为了迎接即将到来的虎年,我们一起来看看精美的虎剪纸吧。

对称性是指一个图案能够在经过一种变换操作后能够和原来的图案重合的性质。我们可以将对称分为反射对称、旋转对称、平移对称等。在物理学中,一些基础研究都与某些保持不变的物理量或者模式相关。诺特定理指出物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。质能守恒对应时间平移不变性;动量守恒对应空间平移不变性;角动量守恒对应于旋转不变性。

对称性破缺与二次谐波的关系也很有趣。二次谐波是一种二阶非线性光学现象,属于和频非线性效应中的一种。两个相同频率光子与非线性材料相互作用后合并成一个两倍频率的新光子。在应用方面,二次谐波成像技术被广泛应用于材料科学、多相催化、界面物理化学及生物医学等。

在凝聚态物理领域,朗道将相变与物质结构中对称性的变化相联系。一级相变是指在发生相变时,物质同时出现体积的变化和热量的吸收或释放,而二级相变则是指在发生相变时,体积不变化的情况下,物理量发生变化。

对称破缺可以分为明显对称性破缺和自发对称性破缺。明显性对称破缺源于自然规律,而自发对称性破缺是指物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性,而物理系统本身并不具有这种对称性。

在物理学中,宇称不守恒就与明显性对称性破缺相关。宇称是描述粒子在空间反演下变换性质的量子数,宇称不守恒定律是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称。

读到这里,你还记得我们是怎样一路从窗花讲到这么多的物理知识吗?有时我们直观感受到很简单的知识和现象,反而能将我们带领到深刻的学术理论中。对称性破缺的引入确实给我们带来了很有趣且深刻的物理学理论和现象。

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