快过年了,不准备点窗花都不能说自己学过物理了?!

作者: Norma

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-01-24 08:00:00

本文介绍了窗花这一传统艺术形式及其与物理学中的对称性和对称性破缺现象的联系,从剪纸的技法到物理学的诺特定理、二次谐波、相变理论等,展示了对称性在艺术和科学中的重要性。

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!实不相瞒,最近小编在实验室…拧着螺丝想过年,做着测试想过年,改着草稿想过年…

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!

古老的民间艺术——窗花贴在窗户上蕴含着满满年味儿的窗花,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。清代也有着“剪画聪明胜剪书,飞翔花鸟泳濒鱼。任他二月春风好,剪出垂杨恐不如。”这样的诗句来描绘剪纸艺术。

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。

对于剪纸艺术,你知道有哪些技法吗?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——将纸张由于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。

除此之外,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~上面这些剪纸作品是不是很生动活泼、精美绝伦?虽然小编不会做剪纸,但我们可以一起从剪纸里挖一挖物理知识。

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。我们一起来看看具有对称性的剪纸作品:仔细看看这些图案,我们会很容易的联想到几何对称——轴对称、旋转对称、镜像对称等等。

对称性不仅是视觉上的,实际上它是内涵更广的概念,可以理解为“变换下的不变性”。将对称性的思想进一步推广,我们可以看到物理定律中蕴含的对称性。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从光学的角度来看,二次谐波(SHG)就是一种与对称性破缺高度相关的现象。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。

对称性破缺与相变在凝聚态物理领域,朗道将相变与物质结构中对称性的变化相联系。相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程。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。

朗道将从高对称到低对称的相变过程成为“对称破缺”。另外一个重要的概念是“序参量”,用于反映晶体结构或者电子结构的有序程度。可能与我们的直觉相反,“对称性”和“有序性”两者是相反的关系。越有序的结构,对称性反而越低。

对称破缺可以分为:明显对称性破缺(Explicit Symmetry Breaking)和自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)。明显性对称破缺源于自然规律,是指对于一些物理系统中不具有物理规律的对称性。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,是一种自发性过程。

在物理学中,杨振宁、李政道先生在1956年提出的宇称不守恒就与上面提到的明显性对称性破缺相关。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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