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VASP 加电场计算过程中电子步能量振幅巨大的困难
huijiany 2019-1-10 07:42
最近,在研究电场对磁性的影响。查阅了网上一些相关说明之后,得到加电场的几个重要参数设计: LDIPOL=.TRUE. IDIPOL=3 !(可以设置1、2、3分别表示电场沿着x、y、z方向。本人做的是沿着z方向) EFIELD=0.05 !(根据相关介绍,电场要一点一点的加上去,用上一次得到的WAVECAR与CHGCAR进行下一个计算,设置 ISTART=1、ICHARG=1) 然而,根据这些参数设计,出现了一个很大的问题,即在第一个离子步的电子步驰誉的中,能量振幅非常大,甚至超过10 5 .如下图所示: DAV: 1 -0.767335048512E+02 0.23386E+01 -0.50910E+01 21760 0.288E+01 0.323E+01 RMM: 2 -0.720390471133E+03 -0.64366E+03 -0.64719E+02 24413 0.112E+02 0.130E+02 RMM: 3 -0.116663211224E+03 0.60373E+03 -0.17217E+02 18792 0.996E+01 0.724E+01 RMM: 4 -0.125018502111E+03 -0.83553E+01 -0.30409E+01 18815 0.342E+01 0.737E+01 RMM: 5 -0.220082872328E+04 -0.20758E+04 -0.22467E+03 24052 0.208E+02 0.930E+01 RMM: 6 -0.778742129728E+04 -0.55866E+04 -0.20421E+04 31049 0.109E+03 0.503E+02 RMM: 7 -0.928948898001E+04 -0.15021E+04 0.17435E+04 26384 0.281E+03 0.665E+02 RMM: 8 -0.915059460028E+04 0.13889E+03 -0.43271E+04 30371 0.408E+03 0.767E+02 RMM: 9 -0.597696864276E+04 0.31736E+04 -0.23496E+04 30178 0.173E+03 0.763E+02 RMM: 10 0.122717280288E+03 0.60997E+04 -0.31091E+03 31799 0.243E+02 0.200E+02 RMM: 11 0.565960936185E+02 -0.66121E+02 -0.73026E+02 31573 0.146E+02 0.827E+01 RMM: 12 0.304215843922E+02 -0.26175E+02 -0.29971E+02 31736 0.714E+01 0.474E+01 RMM: 13 0.449800724939E+01 -0.25924E+02 -0.16956E+02 31934 0.532E+01 0.339E+01 RMM: 14 -0.166251600737E+02 -0.21123E+02 -0.10301E+02 31948 0.485E+01 0.283E+01 RMM: 15 -0.346758152887E+02 -0.18051E+02 -0.56295E+01 31782 0.455E+01 0.432E+01 RMM: 16 -0.445927395377E+02 -0.99169E+01 -0.42875E+01 31414 0.400E+01 0.431E+01 RMM: 17 -0.544220777030E+02 -0.98293E+01 -0.42041E+01 30690 0.329E+01 0.460E+01 RMM: 18 -0.603258320150E+02 -0.59038E+01 -0.29960E+01 29269 0.267E+01 0.424E+01 RMM: 19 -0.650335139483E+02 -0.47077E+01 -0.25834E+01 28373 0.183E+01 0.385E+01 RMM: 20 -0.674561370201E+02 -0.24226E+01 -0.22402E+01 25201 0.131E+01 0.303E+01 RMM: 21 -0.685396517418E+02 -0.10835E+01 -0.14487E+01 22989 0.104E+01 0.209E+01 RMM: 22 -0.701787200521E+02 -0.16391E+01 -0.96427E+00 22055 0.565E+00 0.148E+01 RMM: 23 -0.709219682851E+02 -0.74325E+00 -0.43492E+00 20124 0.310E+00 0.142E+01 RMM: 24 -0.719973022532E+02 -0.10753E+01 -0.14308E+00 19509 0.226E+00 0.167E+01 RMM: 25 -0.720809662625E+02 -0.83664E-01 -0.92656E-01 19176 0.169E+00 0.160E+01 RMM: 26 -0.721490093960E+02 -0.68043E-01 -0.15477E-01 18978 0.143E+00 0.152E+01 RMM: 27 -0.731487679495E+02 -0.99976E+00 -0.32752E-01 18984 0.226E+00 0.171E+01 RMM: 28 -0.732772444419E+02 -0.12848E+00 -0.30766E-01 18834 0.246E+00 0.156E+01 RMM: 29 -0.732051933214E+02 0.72051E-01 -0.20078E-01 18986 0.176E+00 0.146E+01 RMM: 30 -0.729943027274E+02 0.21089E+00 -0.72523E-02 18797 0.135E+00 0.140E+01 RMM: 31 -0.146491501684E+04 -0.13919E+04 -0.11912E+03 24043 0.127E+02 0.883E+01 RMM: 32 -0.605293268811E+04 -0.45880E+04 -0.19631E+04 30953 0.829E+02 0.476E+02 RMM: 33 -0.929405778429E+04 -0.32411E+04 -0.70603E+02 26555 0.204E+03 0.570E+02 RMM: 34 -0.837022476403E+04 0.92383E+03 -0.39623E+04 30332 0.385E+03 0.747E+02 RMM: 35 -0.927131625861E+04 -0.90109E+03 -0.25633E+04 30141 0.261E+03 0.819E+02 RMM: 36 -0.559510411163E+03 0.87118E+04 -0.21351E+04 31745 0.929E+03 0.840E+02 RMM: 37 -0.267363093744E+04 -0.21141E+04 -0.24604E+04 31754 0.182E+03 0.744E+02 RMM: 38 0.239581746562E+03 0.29132E+04 -0.34140E+03 31788 0.260E+02 0.234E+02 RMM: 39 -0.163430626936E+05 -0.16583E+05 -0.24678E+04 29651 0.476E+03 0.547E+02 RMM: 40 -0.260850604689E+04 0.13735E+05 -0.23790E+04 31632 0.175E+03 0.761E+02 RMM: 41 0.173774358943E+03 0.27823E+04 -0.33782E+03 31778 0.259E+02 0.223E+02 RMM: 42 0.950693812018E+02 -0.78705E+02 -0.11576E+03 31683 0.143E+02 0.977E+01 RMM: 43 -0.383136785931E+04 -0.39264E+04 -0.27360E+04 27387 0.223E+03 0.575E+02 RMM: 44 -0.473600305134E+04 -0.90464E+03 -0.10625E+04 31118 0.279E+03 0.804E+02 RMM: 45 -0.462571967238E+02 0.46897E+04 -0.35278E+03 31652 0.274E+02 0.266E+02 RMM: 46 -0.456179023176E+04 -0.45155E+04 -0.82766E+04 30445 0.598E+03 0.760E+02 RMM: 47 -0.493189312575E+04 -0.37010E+03 -0.25880E+04 31754 0.172E+03 0.520E+02 RMM: 48 0.326503151748E+03 0.52584E+04 -0.35507E+03 31799 0.263E+02 0.239E+02 RMM: 49 0.123554837536E+03 -0.20295E+03 -0.16300E+03 31814 0.150E+02 0.129E+02 RMM: 50 -0.897447869856E+04 -0.90980E+04 -0.13681E+04 27205 0.555E+03 这个现象肯定是不合理的。做了多次测试,发现DIPOL是一个非常关键的参数设置。在这之前,我也在没有设置DIPOL的时候得到收敛的体系。所以,没在意。这次,加入 DIPOL= 0.5 0.5 0.5 之后,体系能量收敛的很好。如下图所示: DAV: 1 -0.732207870579E+02 -0.73221E+02 -0.93864E-01 36056 0.812E+00 0.357E+00 DAV: 2 -0.136912352413E+03 -0.63692E+02 -0.58631E+01 34088 0.106E+02 0.771E+01 DAV: 3 -0.734744172790E+02 0.63438E+02 -0.27003E+01 32584 0.520E+01 0.139E+01 DAV: 4 -0.732235358728E+02 0.25088E+00 -0.63389E+00 28512 0.173E+01 0.755E+00 DAV: 5 -0.730784821226E+02 0.14505E+00 -0.10358E+00 26536 0.109E+01 0.335E+00 DAV: 6 -0.730235617008E+02 0.54920E-01 -0.59754E-01 25072 0.764E+00 0.262E+00 DAV: 7 -0.730179810825E+02 0.55806E-02 -0.16053E-01 28344 0.486E+00 0.147E+00 DAV: 8 -0.730175390481E+02 0.44203E-03 -0.50512E-02 27040 0.275E+00 0.141E+00 DAV: 9 -0.730060495854E+02 0.11489E-01 -0.34061E-02 24792 0.259E+00 0.966E-01 DAV: 10 -0.730008442756E+02 0.52053E-02 -0.79425E-03 28568 0.112E+00 0.537E-01 DAV: 11 -0.730011373564E+02 -0.29308E-03 -0.44438E-03 21020 0.400E-01 0.460E-01 DAV: 12 -0.730014696857E+02 -0.33233E-03 -0.17175E-02 21664 0.711E-01 0.464E-01 DAV: 13 -0.730009679785E+02 0.50171E-03 -0.94725E-03 25512 0.632E-01 0.412E-01 DAV: 14 -0.730020888471E+02 -0.11209E-02 -0.29135E-02 19880 0.776E-01 0.343E-01 DAV: 15 -0.730020240008E+02 0.64846E-04 -0.40824E-02 20056 0.881E-01 0.247E-01 DAV: 16 -0.730025350863E+02 -0.51109E-03 -0.26231E-02 19888 0.731E-01 0.195E-01 DAV: 17 -0.730023662041E+02 0.16888E-03 -0.24310E-02 19776 0.667E-01 0.176E-01 DAV: 18 -0.730025750487E+02 -0.20884E-03 -0.13228E-02 19604 0.520E-01 0.162E-01 DAV: 19 -0.730027405388E+02 -0.16549E-03 -0.10962E-02 19896 0.460E-01 0.150E-01 DAV: 20 -0.730027134871E+02 0.27052E-04 -0.82420E-03 19880 0.405E-01 0.130E-01 DAV: 21 -0.730029294955E+02 -0.21601E-03 -0.44958E-03 20296 0.304E-01 0.114E-01 DAV: 22 -0.730030497479E+02 -0.12025E-03 -0.43543E-03 19812 0.295E-01 0.983E-02 DAV: 23 -0.730031293981E+02 -0.79650E-04 -0.38449E-03 19872 0.274E-01 0.861E-02 DAV: 24 -0.730032014982E+02 -0.72100E-04 -0.41021E-03 19956 0.290E-01 0.737E-02 DAV: 25 -0.730032377822E+02 -0.36284E-04 -0.38462E-03 19896 0.278E-01 0.607E-02 DAV: 26 -0.730033832628E+02 -0.14548E-03 -0.30696E-03 19844 0.255E-01 0.485E-02 DAV: 27 -0.730034249709E+02 -0.41708E-04 -0.25751E-03 19936 0.228E-01 0.410E-02 DAV: 28 -0.730034281415E+02 -0.31706E-05 -0.16091E-03 19956 0.181E-01 0.351E-02 DAV: 29 -0.730035052190E+02 -0.77077E-04 -0.11148E-03 19872 0.153E-01 0.326E-02 DAV: 30 -0.730035592024E+02 -0.53983E-04 -0.10094E-03 19844 0.142E-01 0.306E-02 DAV: 31 -0.730035946895E+02 -0.35487E-04 -0.11621E-03 19940 0.152E-01 0.299E-02 DAV: 32 -0.730036139140E+02 -0.19224E-04 -0.10793E-03 19868 0.146E-01 0.264E-02 DAV: 33 -0.730036208305E+02 -0.69166E-05 -0.63352E-04 20368 0.113E-01 0.228E-02 DAV: 34 -0.730036318842E+02 -0.11054E-04 -0.47414E-04 20064 0.960E-02 0.204E-02 DAV: 35 -0.730036198617E+02 0.12023E-04 -0.45596E-04 19824 0.953E-02 0.183E-02 DAV: 36 -0.730036093786E+02 0.10483E-04 -0.46263E-04 19976 0.949E-02 0.164E-02 DAV: 37 -0.730035947121E+02 0.14666E-04 -0.46386E-04 20076 0.966E-02 0.151E-02 DAV: 38 -0.730035875205E+02 0.71916E-05 -0.45329E-04 20136 0.942E-02 0.141E-02 DAV: 39 -0.730035658943E+02 0.21626E-04 -0.36264E-04 20200 0.854E-02 0.132E-02 DAV: 40 -0.730035552237E+02 0.10671E-04 -0.21150E-04 20272 0.674E-02 0.124E-02 DAV: 41 -0.730035515375E+02 0.36862E-05 -0.19550E-04 20332 0.660E-02 0.120E-02 DAV: 42 -0.730035477423E+02 0.37952E-05 -0.21885E-04 20120 0.696E-02 0.113E-02 DAV: 43 -0.730035238169E+02 0.23925E-04 -0.27612E-04 19984 0.791E-02 0.107E-02 DAV: 44 -0.730035098998E+02 0.13917E-04 -0.24636E-04 20064 0.737E-02 0.966E-03 DAV: 45 -0.730035041021E+02 0.57977E-05 -0.21001E-04 19752 0.690E-02 0.963E-03 DAV: 46 -0.730034905364E+02 0.13566E-04 -0.19585E-04 19656 0.663E-02 0.923E-03 DAV: 47 -0.730035290131E+02 -0.38477E-04 -0.15410E-04 19364 0.672E-02 0.852E-03 DAV: 48 -0.730035148566E+02 0.14157E-04 -0.23779E-04 19280 0.860E-02 0.101E-02 DAV: 49 -0.730035089330E+02 0.59236E-05 -0.19735E-04 19072 0.696E-02 0.965E-03 DAV: 50 -0.730035080783E+02 0.85465E-06 -0.76305E-05 20072 0.438E-02 1 F= -.76733017E+02 E0= -.76727470E+02 d E =-.767330E+02 mag= 12.5360 0.0023 -0.0017 因此,我们的结论是:对于部分加电场的体系计算,DIPOL可以不设置,对于一些体系DIPOL很关键。至于是什么样的体系,有怎样的区别,目前还没有摸清楚。不过, 不管怎样,建议所有加电场的体系计算时尽量设置:DIPOL=0.5 0.5 0.5. 另外,之前做的二维材料的单层结构,能量也很难收敛,换成双层结构之后就好了。 总结: 计算二维材料加电场体系,我们需要注意: 1. 电场一点一点的往上加,尽量 0.1 eV/A 一个点; 2. 用双层结构 (目前也不能完全确定单层一定不行,但双层的收敛效果好) 3. 设置DIPOL=0.5 0.5 0.5 希望这些经验可以给大家一些参考,在科研过程中少走一些弯路。也欢迎大家对我的说法提出问题,讨论。
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二维磁性压电材料
huijiany 2019-1-10 03:01
进几年一直在研究二维磁性材料。主要是利用第一性原理计算方法研究MXene、VS2、Fe3GeTe2的磁性以及应用价值。前期大量的实验表明VS2、VSe2具有磁性。最近,我们又用第一性原理方法研究表明他们还是一类压电材料。其实,里面的磁电耦合特性也是一个很有意思的研究方向。 相关文章链接 https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/cp/c8cp06535g 谷歌学术里面有我们以前的文章 https://scholar.google.com/citations?user=bsRnUfgAAAAJhl=en 在此推广一下我们的工作,希望可以与有兴趣的同行多多交流、合作。
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二维核磁共振谱
richor 2018-6-28 10:02
MRI 本质上还是一维 NMR ,只不过多个方向上扫描。 二维 NMR 一般包括: correlation spectroscopy (COSY), J-spectroscopy, exchange spectroscopy (EXSY), and nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY) 。 COSY 原理很简单,可以找出两个有关联的 chemical shift 。会出现 diagonal peaks 和 cross peaks 。 TOCSY ( Total correlation spectroscopy )跟 COSY 很类似,但除了可以观测到直接关联的 cross peaks ,还可以观测到间接关联在一起的 cross peaks. 【历史】 The first two-dimensional experiment, COSY, was proposed by Jean Jeener, a professor at the Université Libre de Bruxelles, in 1971. (Theoretically) This experiment was later implemented by Walter P. Aue, Enrico Bartholdi and Richard R. Ernst (1991 Nobel prize), who published their work in 1976. Ernst出席了13届生物物理大会(IUPAB),我参加的是第8届生物物理大会(IUPAP),不要混淆。 【 chemical shift 】 In nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, the chemical shift is the resonant frequency of a nucleus relative to a standard in a magnetic field. Often the position and number of chemical shifts are diagnostic of the structure of amolecule . 参考复旦的实验原理!劈裂成两个方向,说明出现了类似 ising model 一样的两种自旋方向。当 RF 为二者之差时,低能向高能跃迁。 拉莫尔公式: 其中 γ 为旋磁比。进一步,原子核在磁场下的分裂的能级间距为: 质子的拉莫尔频率为 42.5MHz 。 Chemical shift δ is usually expressed in parts per million (ppm) : 所以 , 1ppm=1Hz per 100MHz , 也就是 42.5Hz chemical shift。
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表面手性二维分子自组装结构的形成与调控 | 《国家科学评论》
sciencepress 2015-8-11 16:19
前手性及非手性分子在表面形成手性组装结构的示意图 手性(chirality)一词源于希腊语词干“手”,用于描述类似于人的左右手的对称特征。手性是宇宙间的普遍现象之一,大至星系旋臂、大气气旋,小到矿物晶体、有机分子,都和手性现象有关。手性在生命活动中也起着极为重要的作用,如作为生命活动重要物质基础的生物大分子包括蛋白质、多糖、核酸和酶等几乎全是手性的。 具体到二维层次上,如果一个物体不能通过平面内的平移和旋转操作与其镜像重合,我们就称其具有二维手性。相对于三维体系中的手性现象,发生在表面上的二维手性现象具有许多独特特征,如许多非手性分子在表面吸附时可表现出手性甚至形成手性组装结构。研究表面二维手性现象,不仅对多相手性催化、手性物质的分离与拆分、化学传感器等领域具有指导意义,在探索生命物质中的手性起源问题等方面均也非常重要。 最近,由中国科学院化学研究所 陈婷 博士、 王栋 研究员和 万立骏 院士共同撰写的综述文章“ 表界面手性二维分子自组装结构的形成与调控 ”在 《国家科学评论》 2015年第2期发表。这篇综述性论文简述了手性在表面的表现形式及其研究方法,阐述了固有手性分子在表面的吸附组装,重点介绍了非手性分子表面吸附组装过程中手性的产生和传递,以及分子结构、客体分子(手性或非手性)、组装微环境等对表面分子手性组装的调控作用,并分析了表面手性研究面临的关键问题,展望了表面手性研究的未来发展趋势。 万立骏院士和王栋研究员课题组在表面手性的形成、表面手性纳米结构的构筑与调控等方面展开了深入研究。例如,他们利用扫描隧道显微技术实现了对吸附在表面上的手性分子绝对构型的鉴别,观察到外消旋体在表面的二维结晶拆分,研究了非手性分子在固体表面的手性吸附组装,设计构筑了多种基于非手性分子的表面手性纳米结构,实现了对特定手性纳米结构的调控。他们还提出利用简单手性共吸附分子对表面组装过程的手性特征的控制策略,发现了固/液界面基于非手性分子的手性非线性放大现象,获得了具有整体单一手性的表面二维多孔网格结构,并从分子层次上阐述了非手性分子组装过程中手性的产生及其长程传递和放大过程。
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GridproV5.1_网格实例06_二维冷却通道2DCoolPassage_超清视频
a582234617 2013-10-26 08:36
视频地址: http://v.youku.com/v_show/id_XNjA2NjgzODky.html 模型地址: http://yun.baidu.com/share/link?shareid=3888305358uk=2368897002third=15 1.根据官方教程制作,操作细节略有补充 2.一次性制作,操作不是特别精确,过程中出现了一些常见的问题,正好方便大家看看解决办法 2.有问题请回帖或与联系我QQ:2731613124 ,我会尽力解决
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二维、三维…
热度 7 lvnaiji 2013-10-5 09:27
吕乃基 物理-自然科学,经济学-人文社会科学,科学-文化,西方文化-中国文化,中国文化-印度文化,二维-三维,以及,在上述一组组词汇所对应学科和对象之间在量纲和维度存在着某种相似的关系。 物理-自然科学,经济学-人文社会科学,科学-文化,这三组之间关系的类似,博主在十余年前曾有所感悟。 经典物理学研究不涉及具体物质形态的基本物理运动:机械运动、热运动和电磁运动。当基本物理运动嵌入于种种特殊的物质形态之中,便形成各种复杂的运动形式。在原子和分子层次是化学运动,在生物大分子和细胞、器官和个体层次,是生命运动,在各种地质构造,是地质运动;同时也有了相应的学科如化学、生命科学和地质学等。现代物理学同样研究不涉及具体物质形态的时空关系和四种相互作用,涉足宇观、微观和高速领域,嵌入于大到天体、星系,小到基本粒子、夸克,以及暗物质、暗能量,而且因其对非线性与复杂性的研究而渗透到一切领域。在此意义上,物理学是所有自然科学的共同基础。 然而,物理学不能代替各门自然科学,自然科学不能还原为物理学。物理学在进入化学、生物学和其他学科之际,已经改变了自身,受到特定对象和语境的制约、修正,变量大大增加,实际上成为一门新的学科。物理学二维,各门自然科学三维,或多多少少的分数维。 经济学和人文社会科学的关系十分类似上述状况。经济学,主要研究人与物——其中的基础是自然物——的关系,以及以人性最底层的假设,也就是“经济人假设”为基础。经济学因其基础性而与特定对象及其语境无关,与价值判断无关,例如市场经济阶段不可逾越。经济学因此渗透到各门人文社会科学中,而经济人假设,以最小成本获得最大收益,则是每个人的行为准则,不论是有意还是无意,乃至成为潜意识。被认为“非理性”的中国人,在这一点上毫不含糊。各门人文社会科学都不能无视经济学,必须将自身建立于经济学的基础之上,汲取经济学的最新成果。 同样,经济学也不能替代各门人文社会科学。心理因素、信息不对称、博弈中的相互影响、政府适当和必要的干预,以及现代经济的复杂性和非线性等都说明了这一点。在人文社会科学中,经济学二维,其余人文社会科学三维、高维。 1988 年第20届诺贝尔经济学奖得主莫里斯·阿莱斯的获奖感言是:“我对理论和应用物理学的所有研究,表面看起来,似乎距离我作为经济学家的主要活动如此远,实际上它们以极宝贵的经验丰富了我。……它们引导我反思我们的知识、经验和理论的性质及一般科学方法。经济学和物理学中关于构思模型经经验数据的解释问题的相同性,特别使我震惊。没有什么事情比这两个表面上如此不相似的科学之间的对比,对我更有教育意义了” 。这番话形象地说明了物理学之于自然科学,以及经济学之于人文社会科学,这两组知识体系的关系之间的相似性。 在更大的范围,上述关系类似于科学与文化,或者科学文化与人文文化的关系,西方文化与东方文化的关系。 美籍印度塔布拉鼓大师扎克尔 • 侯赛因的感受是: 放在40年前,美国人可能会觉得印度音乐很有异国情调。但到了上世纪90年代后,人们开始越来越多了解了印度音乐,它不是异国情调了,而是智慧。他们更加融入这种文化传统,更加理解这种文化了。 在刘慈欣的《三体》中有这样的精彩描述: 想象生活在三维空间中的一张二维平面画中的扁片人,不管这幅画多么丰富多彩,其中的二维人只能看到周围世界的侧面,在他们眼中,周围的人和事物都是一些长短不一的线段而已。只有当一个二维扁片人从画中飘出来,进入三维空间,再回头看那幅画,才能看到画的全貌。 这个类比,其实也只是进一步描述了四维感觉的不可描述。 首次从四维空间看三维世界的人,首先领悟到一点:以前身处三维世界时,他其实根本没看见过自己的世界,如果把三维世界也比做一张画, 他看到的只是那张画与他的脸平面垂直放置时的样子,看到的只是画的侧面,一条线;只有从四维看,画才对他平放了。他会这样描述:任何东西都不可能挡住它后面的东西,任何封闭体的内部也都是能看到的。这只是一个简单的规则,但如果世界真按这个规则呈现,在视觉上是极其震撼的。当所有的遮挡和封闭都不存在,一切都暴露在外时,目击者首先面对的是相当于三维世界中亿万倍的信息量,对于涌进视觉的海量信息,大脑一时无法把握。,就像我们看一张纸上画的圆圈,能看到圆圈内部,并没有“透过”什么。 这时,他们不得不面对一个全新的视觉现象:无限细节。在三维世界里,人类的视觉面对的是有限细节,一个环境或事物不管多么复杂,呈现的细节是有限的,只要用足够的时间依次观看,总能把绝大部分细节尽收眼底。但从四维看三维时,由于三维事物在各个层次上都暴露在四维视野中,原来封闭和被遮挡的一切都平行并列出来。比如一个封闭容器,首先可以看到它内部的物体,而这些内部物体的内部也是可见的,在这无穷层次的暴露并列中,便显露出无限的细节。在莫沃维奇和关一帆面前的飞船,虽然一切都显露在眼前,但任何一个小范围内的一件小东西,比如一只水杯或一支笔,它们并列出来的细节也是无限的,视觉也接收到无限的信息,用眼睛看时,穷尽一生也不可能看全它们在四维空间的外形。当一个物体在所有层次上都暴露在四维时,便产生了一种令人眩晕的深度感,像一个无限嵌套的俄罗斯套娃,这时,“从果核中看到无穷”不再是一个比喻。 关一帆后来的一句话成为经典: “方寸之间,深不见底啊。 ”中国人的“舌尖”大概也是这样的“方寸”。 感受高维空间感是一场灵魂的洗礼,在那一刻,像自由、开放、深远、无限这类概念突然都有了全新的含义。 从三维空间看不到四维,但从四维空间能够看到三维世界的一切并且能对它产生作用。 处于宏观状态的高维度会向低维度跌落,就像瀑布流下悬崖一样,这就是四维碎块不断缩小的原因:四维空间都跌落到三维。那个丢失的维度并没有消失,它从宏观蜷缩到微观,成为蜷缩在微观的七个维度中的一个。 张朋、高策,理工学科与诺贝尔经济学奖的不解之缘,科学技术与辩证法 2009,2,96-100
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统计物理学中最有趣的问题----Ising 模型【长篇连载:2】
热度 1 shanbowei 2011-12-27 04:18
咱们上回说到, Ising 先生求解出了一维模型的精确解。接下来,自然而然的就该到考虑二维的问题了。 二维Ising模型究竟有没有相变? 这个问题,既是困难重重,又是充满诱惑,真是吸引的无数英雄竟折腰啊!!!(顺便怀念一下伟大的毛主席诞辰118周年) Ising 先生和20世界早期那些物理学英雄们曾经试图求解出二维Ising模型的精确解,但终因难度太大,而以失败告终了。随后,Ising先生列举出了下面的一些似是而非事实,试图想要说明二维Ising模型没有相变: 1.配分函数 Z 是针对所有配置的 的和; 2.随着温度 T 的变化,上述的指数函数是处处解析的 3.因此,解析函数的求和也是解析的 但是仔细推敲上述的理由却会发现不少漏洞:所有的热力学函数,都是配分函数Z的对数函数,而对数函数并非处处解析的。另外,上述事实仅能针对尺寸有限的系统,如果一个系统是处在热力学极限下(即尺寸是无限项的系统),那么无限项的和,是有可能导致奇异点出现的。 因此,自 从Ising先生给出一维模型的精确解,事隔十年之后, 英国人Peierls明确的指出了二维Ising模型中是会发生相变的。 Peierls并没有严格求解出二维Ising模型(以当时的理论发展水平来看,也不必对Peierls先生苛求),但是他 从统计物理学的观点来进行考虑,严格的证明了相变的存在。高!实在是高啊! 事实上,从统计物理学出发,严格证明相变存在与否,已经发展成为了统计模型理论的一个专门分支,我们对于这一分支不想展开讨论,仅仅在此对Peierls的工作进行一个简单的介绍。 Peierls对比了高温和低温的极限情况,当 时,所有的配置都具有相同的概率。每一个自旋都是和其他自旋相独立的。整个系统磁化强度 M 是自旋的平均值: 对于非常高的温度,当温度趋于无穷时,磁化强度是零。为了理解这一点,我们首先需要注意到,如果自旋A和自旋B仅有一个小的相关系数 ,自旋B和自旋C又仅有一个小的相关,而A和C之间相互独立的话,那么A和C的相关系数就是 。对于两个自旋,如果相互间隔距离为L的话,那么相关系数就是 ,如果两点之间存在n条路径的话,那么这个值还需要增加n倍。 对于d维方形网格,长度为L的两点间存在的路径数目为: 上述结论其实很简单:对于每一步,都存在2d种可选的方向 在低温,即T趋于0时,所有的配置都在最低能量配置的附近,这时,几乎所有的自旋都是上旋或下旋的。Peierls重点考察是否会发生这样一种情况: 在低温下,所有的的上自旋通过涨落,自发的变到全是下自旋 。要让上述情况发生,关键在于上自旋的一些零零散散的小簇,能够聚集成一个大的集团。 在下自旋的大环境下,上自旋小簇的能量正比于簇的边界长度L。对于长度为L的簇,整个区域的大小是介于(L-2)/2和(L/4)^2之间的。引入一个簇的概率正比于因子exp(-H/kT)。然而该因子需要乘以长度为L的簇的总数量,该数量小于长度为L的路径的总量,即: 因此,来自于簇的总的自旋贡献,就可以表示为 该值对于低温趋向于零。在极低的温度下,该值指数下降,因此,磁化强度不会涨落的离-1太远。 至此,Peierls就可以得出结论,二维Ising模型中,磁化强度最终定义了一个超级区(superselection sector),该超级区和其他区域相隔离,不会被其他区域有限的涨落所影响。 从而也就必然会存在相变了 ...... 欲知后事如何,且听下回分解。。。
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绘制二维火柴杆图---stem函数
zjzhang 2011-11-15 12:21
绘制二维火柴杆图---stem函数
clear all; x=0:0.2:10; y=sin(x); stairs(x,y,'r','LineWidth',3);
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绘制二维矢量图---quiver函数
zjzhang 2011-11-15 12:11
绘制二维矢量图---quiver函数
clear all; =meshgrid(-2:0.2:2,-3:0.4:3); Z=X.*exp(-X.^2-Y.^2); =gradient(Z,0.2,0.4); contour(X,Y,Z); hold on; quiver(X,Y,DX,DY); colormap hsv; hold off; =meshgrid(-2:0.2:2,-2:0.2:2); z=x.^2+y.^2; contour(x,y,z); =gradient(z,0.2,0.2); hold on; quiver(x,y,dx,dy);
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绘制二维慧星图---comet函数
zjzhang 2011-11-14 18:21
绘制二维慧星图---comet函数
t=0:0.01:2*pi; x=sin(2*t).*(cos(t).^2); y=sin(t).*(cos(t).^2); comet(x,y); comet(x,y);
个人分类: 图像分析(matlab,PDE)|3954 次阅读|0 个评论
绘制二维条形图
zjzhang 2011-11-14 12:11
绘制二维条形图
Y= ; figure(1); bar(Y,0.5);%宽度为0.5,以每一行为以小队 figure(2); barh(Y,'stack');%每行数据叠加起来
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与信息计量学“亲密接触“
WHUSIM2010PHD 2011-10-18 22:05
国际著名科学计量学家、普莱斯奖获得者、 国际权威学术期刊 Journal of Informetrics执行主编、g指数提出者Leo Egghe(埃格赫)教授应中国科学评价研究中心主任邱均平教授邀请, 计划于10月9日—10月19日来评价中心进行为期10天的讲学与交流,并分别于10月10日、11日和12日在我院四楼报告厅作了三场精彩的报告。报告由中心副主任赵蓉英教授主持,评价中心全体师生以及学院相关研究方向的其他同学、老师参与了此次报告。 10月10日的第一场讲座, Egghe 教授分别从一维、二维和二者的结合角度向大家阐释了信息计量学的精髓,主要涉及文献老化与增长规律、洛特卡定律,齐普夫定律和劳伦斯集中理论以及这些经典定律之间的融合以及在现实社会中的相关应用等,对在座众多同学都有很大的启发;11日的第二场讲座,他为大家介绍了信息计量学领域著名的影响力测度指标h指数与其变种,探讨了H指数的定义及其优缺点,并基于此提出了g指数、r指数、a指数等改进形式,作为其中g指数的创作者,他着重阐述了g指数的改进思路和应用范围,继而对H类型系列指数的性质和信息计量模型进行了深度讨论,从而使场下聆听的老师和同学都对H指数这一影响力指标有了更为深刻的认识;12日的第三场讲座,Egghe教授就当前信息计量学领域的研究热点和趋势进行了剖析,主要包括应用于期刊评价的影响因子测算和基于此原理的应用于网站评价的PageRank算法,以及进一步衍生出来的“比率平均”与“平均比率”之间的争论和一些其他感兴趣的话题。最后,他还对其主持编辑的国际权威学术期刊Journal of Informetrics(SCI收录,IF为3.119,JCR图情类排名第三)分别从创刊动机、与期刊刊物比较、栏目介绍以及论文要求等方面进行了简要介绍,让大家对于这一国际刊物有了更为全面的认识,从而也燃起了向SCI刊物发文进军的斗志。 作为信息计量学方向的一名博士研究生,我都仔细聆听和学习了这三场讲座的报告。三天的系统学习,使我对于信息计量学的精髓有了更为深刻的认识,也对信息计量学未来的发展及其应用充满了希望,从而更加明确和坚定了自己的研究方向。但是三场报告的聆听,也使我更加深刻的认识到自己英语水平和数理知识的缺陷,在未来的科研道路上,还需进一步加强,从而让自己的专业道路更为深入和宽广。总之,Egghe教授的报告让我们每个人都受益匪浅,再次对这位著名且严谨的计量学家表示衷心的感谢和崇高的敬意! 王菲菲
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[转载](转载)二维卷积的计算原理
stLone19 2011-10-8 04:24
二维卷积的计算原理 图像处理的过程中经常要用到高斯平滑和各种滤波器,它们的原理其实都是卷积(convolution)。 至于一维卷积很简单: 如下图,将函数g图像旋转180度,逐渐右移求积再求和: 但是图像是二维空间,比一维理解起来稍微复杂一点。 二维卷积公式也类似:设矩阵A和矩阵B, A的行数和列数分别为Mr, Mc, B的行数和列数分别为Nr, Nc, 且s,t满足条件 0≤ n1 Mr+Nr-1, 0 ≤ n2 Mc+Nc-1; 下面让我们仔细看看怎样用矩阵的乘积去计算二维卷积? 仔细看一下二维卷积的公式就知道,首先我们需要把其中一个矩阵M(如二维高斯函数得到的矩阵)旋转180度,如下图,M1刚好是M2的180度翻转。然后逐渐和另外一个矩阵N边缘进行对齐的,对应元素相乘并求和: 假设小图框为卷积矩阵M2(注意不是M1)旋转180度变换得到的矩阵M1,大图框为位图矩阵N,我们可以对C(2,2)进行计算: C(2,2) = 1*6 + 2*7+3*8 + 4*7 + 5*8 + 6*9 + 7*8+8*9+9*10 = 384 其中,如果元素的边界部分为空,就用0补足, 例如C(1,1), C(0,0)等。 反复下去,让M1矩阵逐渐下移和右移,与位图矩阵N边缘对齐后,矩阵对应元素相乘并求和就得到了卷积。 http://shuhui018125.blog.163.com/blog/static/771105020084175191052/ C=conv2(A,B,'same') C = 85 88 35 67 76 149 117 163 159 135 78 160 161 187 129 82 153 199 205 108 68 135 168 91 84 参数‘same’,表示与A矩阵大小相同,相当于正好取中间的5*5矩阵。 反过来看看结果: C=conv2(B,A)%两个矩阵一样,得出的结果是一样的。 C = 17 58 66 34 32 38 15 23 85 88 35 67 76 16 55 149 117 163 159 135 67 79 78 160 161 187 129 51 23 82 153 199 205 108 75 30 68 135 168 91 84 9 33 65 126 85 104 15 27 C=conv2(B,A,'same')%以前面的矩阵为基础,取中间的3*3矩阵。 C = 117 163 159 160 161 187 153 199 205 一维离散卷积的计算原理:w(n) = u(1)*v(n)+u(2)*v(n-1)+ ... +u(n)*v(1) f1= ; f2= ; y=conv(f1,f2) y = 2 10 28 26 18 计算方法: w(1) = u(1)*v(1) w(2) = u(1)*v(2)+u(2)*v(1) w(3) = u(1)*v(3)+u(2)*v(2)+u(3)*v(1) ... w(n) = u(1)*v(n)+u(2)*v(n-1)+ ... +u(n)*v(1) ... w(2*n-1) = u(n)*v(n) 二维离散卷积的计算原理 u(n,n),v(m,m)得到的矩阵为m+n-1阶 w(i,j)=u(1,1)*v(i,j)+u(1,2)*v(i,j-1)+...+u(1,j)*v(i,1) u(2,1)*v(i-1,j)+u(2,2)*v(i-1,j-1)+...u(2,j)*v(i-1,1) u(3,1)*v(i-2,j)+u(3,2)*v(i-2,j-1)+...u(3,j)*v(i-2,1) u(i-1,1)*v(2,j)+u(i-1,2)*v(2,j-1)+...u(i-1,j)*v(2,1) u(i,1)*v(1,j)+u(i,2)*v(1,j-1)+...u(i,j)*v(1,1) 如果i,j大于n或者m,在原来的矩阵后补零。 B= B = 1 2 1 0 2 0 3 1 3 A=magic(3) A = 8 1 6 3 5 7 4 9 2 C=conv2(A,B) C = 8 17 16 13 6 3 27 22 31 7 28 34 77 36 20 9 26 53 26 21 12 31 27 29 6 例如:i=4,j=4的计算过程 B = 1 2 1 0 0 2 0 0 3 1 3 0 0 0 0 0 A = 8 1 6 0 3 5 7 0 4 9 2 0 0 0 0 0 过程:1 2 1 0 0 2 0 0 3 1 3 0 0 0 0 0 8 1 6 0 3 5 7 0 4 9 2 0 0 0 0 0 =2*2+1*7+3*5=26 以上是我经过验证过的。 还有一篇在收藏里
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二维生物如何观察三维世界
热度 6 outcrop 2011-2-17 01:54
假设 有一种智慧生物生活在二维世界(平面)中, 由于“维”的线性无关,严格的二维世界生物是无法“进入”三维世界的。 但这个二维生物有无可能来观察三维世界呢?又至少需要什么条件才能观察呢? 有没有可能 通过一些三维世界的某些介入, 甚至“进入”三维世界呢? 不知道这算不算一个值得讨论的话题。 刚看了陈老师文章里的评论和回答,还是不明白如何实现: http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=278395do=blogid=412095
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“三维”的特性
热度 1 readnet 2011-2-4 15:57
“三维”的特性
二维世界与三维世界又有什么不同呢? 二维世界是一个面,如前面所介绍的,这上面可以有三角形、四边形和圆等具有面积的各种图形(平面图形)。 上升到三维空间,则又有了体积的“立体” 平面图形有各种不同的形状,立体,也是有立方体、球、三角锥、圆锥、正四面体等等各式各样的形状。 立体有一个在二维不可能有,必须是在三维才具有的特性,那就是,立体可以具有“贯通的孔洞(管子)”。 轮胎的形状(环)就是具有贯通孔洞的一个立体。 有手柄的茶杯,也是一个有贯通孔洞(穿进手指的部分)的立体。 二维世界的图形是绝不可能有贯通孔洞的。 例如正方形,你可以从它的上边向下剜去一部分,得到一个“凹”字的图形。但是若向下剜得太深,穿过了正方形的下边,你得到的经不会是一个图形,而是把原来的正方形分割成了两个长方形。 在三维可以有“环”和“扭结” 立体“有体积”,此外还具有二维所没有的其他特性。 比如说,三维中的具有贯通孔洞的图形(环,如轮胎的形状), 还有通过穿插所形成的扭结图形(例如,国人过年过节时所喜爱的立体穿插的红色【中国结】), 这些都是在二维中所不可能有的。 由此可见,立体要比平面图形复杂得多。 在三维空间,不仅有【立体】,同时也可以有【二维的面】、【一维的线】和【零维的点】。 事实上, 维数较多的空间内部总是包含了维数比它要低的空间 。 “立体”,比平面图形复杂得多 三维的这个特性对于我们人类实在是太重要了。 要知道,我们人体就是一个“具有贯通孔洞的立体”。 这个贯通的孔洞——你当然马上就可以想到,那就是从口向下直延伸至肛门的消化道。 从受精卵到形成胎儿的身体,这个过程叫做“发育”。 在人体发育过程中有一件非常重要的事情,那就是在大量细胞聚集形成的胚胎上向开出一个孔洞(肛门),然后逐渐向内延伸,直到在贯通处形成口。 如果是二维世界的话,这个孔洞一贯通,人体就会被分为两半。 在这种意义上,人的诞生还要多亏三维世界有这样一个特性呢。 小结 三维世界中的“立体” 长方体、球、环、圆锥、 有扭结(立体穿插)的立体 人体与“维” 人是身体有贯通的消化道的生物(也有像海葵那样的没有贯通消化道的生物)。 贯通身体的消化道,这只能是在三维世界可以有,而在二维世界不可能有的结构。 这是因为,在二维身体上开一个贯通消化道的话,身体就会被分割成两半。 二维人 无法形成消化道(人体会被消化道分割成两半) 三维人 形成消化道 扩展阅读: “二维”的特性 辅助资料:     克莱因瓶     莫比乌斯带 Soliton 【注:本文所用图片均取自网络,仅用于科普,非商业用途】 扩展阅读:   “二维”的特性     = ★ =   三维立体与二维投影 科学松鼠会:季候风撰写的“拓扑学简介” 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。在这些先驱中,高斯名气最大,被称为数学王子;大家可能不太熟悉黎曼,其实他同高斯在数学史上的地位是相当的,他在19世纪中叶的很多想法直到现在还有着巨大的影响;莫比乌斯,他在数学上有很多贡献,不过他为世人所知还多半是因为用他的名字命名的奇怪曲面:莫比乌斯带。左边这个图就是莫比乌斯带,它的重要特性是,虽然在每个局部都可以说正面反面,但整体上不能分隔成正面和反面。这种曲面叫做 “单侧曲面”。在这样的曲面上散步一定很别扭,哈哈。 拓扑学简介(二) 拓扑学简介(二) Comments | Tags 标签: 原创 , 拓扑学 , 数学 季候风 发表于 2008-10-07 10:55 这次来谈谈拓扑学中有代表性的一个课题, 扭结分类问题。所谓扭结,顾名思义就是一根绳子 首尾相接,它可能打 了结。更一般的,可以是几根绳子,除了自身打结以外,还互相打结。对具体的一个扭结,也许可以通过做实验的办法判断它是否打结,但是数学家希望找一个普适的,定量的办法。比如说,任意画一个扭结 (它实际上是一个空间扭结的平面 投影),比如这个有点复杂的,怎样不动手做实验就能 判断它到底有没有打结? 这个问题后来证实是非常复杂的问题。在有了计算机以后,才能找到一种时间代价很高的算法让计算机帮助我们判断一个扭结投影到底有没 有打结。直到 2006 年,才找到一种真正快速的计算机算法来判断这件事。 扭结分类的问题比判断是否打结更困难。比如,以下两个扭结都打了结,它们是否本质上是同一种结? 所谓 “分类”, 就是要找一个(可计算的)判据,使得当两个扭结满足这个判据时就是同一种结;当它们不满足这个判据时就不是同一种结。到现在为止,也还只能找到一些非常复杂的判据,同样要借助计算机才能大致判断两个扭结是否本质上为同一种结。 扭结理论有一段很有趣的早期历史。 1867 年,著名物理学家开尔文勋爵,就是那个号称物理学已经接近终结,只剩 “两朵乌云”的开尔文,突然产生了关于化学元素表的新看法(那时候还没有发现原子,所以化学元素表还是一个谜)。开尔文认为,不同的化学元素其实是 “以太”的涡旋在空间中的扭结形态。“以太”是 19 世纪的物理学家们发明的概念,它被想象成充满整个空间,是电磁波传播的载体(或媒质)。开尔文是很严肃的物理学家,当然不能凭空想象,实际上他提出了几个即使从现在的观点看来也很合理的证据: ( 1 )元素很稳定,这可以用扭结的拓扑性质来解释,微小的形变不改变扭结的 “扭法”。 ( 2 )元素很多样,这可以用扭结的多样性来解释,不同的 “打结方式” 实在太多了。 ( 3 )不同的元素发出不同的光谱,这可以用 “以太扭结” 的各种 “振动方式” 来解释。 有时候我们不得不佩服一些大师,他们虽然偶尔有点信口开河,不过极富原创力想象力。开尔文这个想法可以算是 “弦论” 的原生态。虽然后来化学周期表更好地被理解为原子内部结构,但开尔文列举的这几个证据都能在新兴的弦论中依稀找到一点影子。 请原谅我不能在这里具体给出任何判断两个扭结不同的方法。任何这样一个方法,都需要很多图解和文字说明。有兴趣的网友可以读姜伯驹的《绳圈的数学》或者英文书 《 An introduction to knot theory 》, 作者 Lickorish, 属于系列 GTM (graduate texts in mathematics) 175. 再贴几个扭结: 然后是一个问题:下面三个扭结中,哪两个本质上是同一种结? 拓扑学简介(三) 拓扑学简介(三) Comments | Tags 标签: 原创 , 拓扑学 季候风 发表于 2009-02-08 09:01 拓扑学简介(一) , 拓扑学简介(二) 庞卡莱是 19 世纪末 20 世纪初法国最伟大的数学家,他与德国的希尔伯特领衔当时的数学界,分别继承了黎曼和高斯的衣钵:庞卡莱对物理世界的深刻洞察给了他天马行空般的想象力,一如当年的黎曼;希尔伯特严谨,博学,细致入微地思考,为 20 世纪前半叶数论和代数几何的发展指明了方向。庞卡莱的 拓扑学 和希尔伯特的 代数几何 ,就像普朗克的量子论和爱因斯坦的相对论,完全革新了整个学科的基本观念。 这一帖就试试介绍庞卡莱引入的两个概念:“同调群” 与 “基本群”。它们都是几何体内在性质的 “代数体现”。 庞卡莱 意识到,描述一个几何体 抽象性质 的关键在于 这个几何体本身有没有边界,以及它是不是其它几何体的边界 。比如,一个圆盘和一个球面为什么不同,就是因为圆盘有边界而球面没有边界;球面为什么跟轮胎面不同,就是因为球面上的任何一个圈都是球面某一部分的边界,比如赤道就是北半球面的边界,而轮胎面上有的圈并不是轮胎面任何一部分的边界。 在第 一篇里说过,莱布尼兹梦想用符号来表述一些抽象的几何性质。 200 多年后 庞卡莱 终于实现了这个梦,他 把跟边界有关的性质数量化。先把几何体剖分成基本组成部分(点,边,三边形,四面体, …) ,比如,一个球面上可以画四个点,然后把它们两两相连 (不允许连线相交) ,有六条边,这些边把球面分成四个三边形 ,这就是球面的一个 “剖分”(见左图)。剖分的 基本 组成成份 叫做 “ 单形 ” , “ 点 ” 是 0 维单形, “ 边 ” 是 1 维单形, “ 三 边 形 ” (包括内部)是 2 维单形,等等 ( 试想一下 3 维单形是什么 ) 。 拿之前已经剖分的球面做例子,顶点 A, B, C, D 是 0 维单形,边 AB, AC, AD, BC, BD, CD 是 1 维单形,三边形 ABC, ABD, ACD, BCD 是 2 维单形 (如果 ABC, ACD 是东半球的区域,那 ABD, BCD 就包括了西半球) 。因为考察的是球面,而不是球体,所以没有三维以上的单形。 庞卡莱在 单形 前面放上系数 (整数) ,假设它们能够相加,以及做同类项合并。这种表达式称为一个 “ 链 ” , 比如 (3 AB – 2 BC) + (AC – 5 BC) = 3 AB – 7 BC + AC. 单形前面的加号减号具有几何意义,“定向”。在 1 维的时候就是边的方向,比如, AB 是从 A 到 B 的边, -AB 就是从 B 到 A 的边,也就是 BA ,所以 BA = – AB. 三边形的定向复杂一些,不过本质上就是跟顶点的排列顺序有关,对换两个顶点就会改变定向, ACB = – ABC. 由于每一个 n 维 单形的边界由若干 n-1 维 单形组成,所以 “ 求边界 ” 可以作为一种运算,作用在 “ 链 ” 上,得到 另一个 “ 链 ” ,其每一项都比原来链里对应项的维数低一维 。 在求边界的过程中,定向也是一个重要因素,虽然 AB 的边界是两个点 A 和 B, 但为了体现定向性质,规定 AB 的边界是 ( B – A ). 这种约定可以推广到高维的链,大家不妨自己试试。 如果用 d 记求边界运算,在跟定向相容的约定下,它在球面剖分的各单形上作用如下 d (A) = d (B) = d (C) =d (D) =0; d (AB) = B-A, d (BA) = A-B, d (BC) = C-B, …… d (ABC) = BC-AC+AB, d (BCD) = CD-BD+BC, …… 在 “链” 上的作用, d (3 AB – 2 BC) = 3 d (AB) – 2 d (BC) = 3 (B-A) – 2 (C-B) = -3 A + 5 B – 2 C. 边界运算有一个很好的性质。直观上容易看到,“物体的边界没有边界”。比如,三边形的边界是三条边组成的闭合链。生活中我们说 “闭合” 的意思就是没有边界。代数上体现为, 连续两次求边界一定是零 , d = d = d(CD) – d(BD) + d(BC) = (D-C) – (D-B) + (C-B) = 0 现在 把剖分后的几何体的所有这样的 “ 链 ” 放在一起,它们之间有加减法 (合并同类项) ,可以用系数乘,还可以 “ 求边界 ” 。这就得到了一个代数对象,叫做这个剖分后的几何体的 “ 链群 ”。 这个代数对象跟我们开始的剖分方法有关。 在链群中,可以由求边界运算得到的链叫做 “边缘链”,比如, 2 AB + 2 BC + 2 CA = d ( 2 ABC ) 说明等式左边这个链是一个边缘链。没有边界的链叫做 “闭链”。 边缘链一定是闭链,而闭链 不一定 是边缘链 。 庞卡莱 发现,“有多少闭链不是边缘链” 这个性质与剖分无关,从而是几何体某种本性的代数体现。怎样代数地描述这个性质? 考虑所有闭链 , 它们之间的加减,数乘,结果还是闭链,在其中 把边缘链等同于 0 ,这样得到的代数对象将 不依赖于剖分几何体的方法 ,庞卡莱叫它 “同调群”。 现在来算球面的同调群。顶点都没有边界,但是两个顶点的差一定是一条边的边界, A-B = d (BA) 按照庞卡莱的语言, A-B 是边缘链,将被等同于 0, 也就是说,在同调群中 A-B = 0, 或者说 A = B. 这样,本质上只有一个 0 维对象, A = B = C = D, 它可以被整数乘,这样我们得到球面的 0 维同调群 { … , -3A, -2A, -A, 0, A, 2A, 3A, …} 这个代数对象的加法,数乘,跟全体整数的加法,数乘是一样的,用数学的语言来说,球面的 0 维同调群 “同构于” 整数集。 1 维的链是六条边的组合,用代数运算(解线性方程组)或者几何直观都可以看到,没有边界的 1 维链总是由三边形的边界 ( AB + BC + CA ), ( BC + CD + DB), ( AB + BD + DA) 组成,按照庞卡莱的语言,球面上所有的 1 维闭链都是边缘链,都应该在同调群中等同于 0 ,所以 1 维同调群是 0. 2 维的链是四个面的组合, x ABC + y ABD + z ACD + w BCD, 它是闭链的条件 d ( x ABC + y ABD + z ACD + w BCD ) = 0. 有兴趣的朋友可以动手算一算上面这个方程,比如第一项 d ( x ABC ) = x ( BC – AC + AB ) = x BC – x AC + x AB, 然后合并每条边的系数,令它等于零,就得到 6 个关于 x, y, z, w 的线性方程。这个方程组的解是 x = z = -y = -w. 这个结果说明球面上的每个二维闭链都可以写成 w ( BCD – ACD + ABD – ABC ), 也就是说,总是括号中闭链的整数倍。如果把括号里的闭链叫做 s, 那么球面的二维同调群就是 { … , -3s, -2s, -s, 0, s, 2s, 3s, … } , 同构于整数集。 综上所述,球面的 0 维同调群和 2 维同调群都同构于整数集, 1 维同调群为 0. 再引入一个概念,同调群内含有多少个整数集,就说同调群的 “秩” 是多少。把不同维同调群的 “秩” 交错加减 ,即, 0 维同调群的秩减去 1 维同调群的秩再加上 2 维同调群的秩再减去 3 维同调群的秩 ……, 得到一个整数。在简单例子里稍作计算,就会发现这个整数实际上是 0 维单形个数减去 1 维单形个数再加上 2 维单形个数再减去 3 维单形个数 …… ,即, 各维数单形个数的交错和 。这个数大家其实颇为熟悉,在高中立体几何最后应该提到过,叫做 “欧拉示性数”,对凸多面体的表面,它就是 V – E + F, 而且总是等于 2. 实际上,所有凸多面体的表面在拓扑上都是球面,这个 “ 2 ” 就是球面的各维数同调群的 “秩” 的交错和, 1 – 0 + 1 = 2. 显然,欧拉示性数是最容易计算的拓扑不变量,只需要找一个剖分,然后数数几个顶点几条边几个面……,再加加减减就行了。 同调群告诉我们哪些闭链不是边缘链,通俗一点说,告诉我们几何体里面 哪些封闭的 对象 是 “ 中空 ” 的。 它显然是比欧拉示性数更精细的拓扑不变量。有兴趣的朋友可以自己算算两个几何体的同调群:圆圈,轮胎面。(提示:先把它们剖分成单形。) 庞卡莱发现了同调群以后,拿它来区分了一些三维的对象 。 后来他发现,同调群不够精 细 。比如,跟三维球面(二维球面的高一维推广)具有相同同调群的几何对象 不一定 就是三维球面。这促使他寻找更精 细 的拓扑性质。这次他想到几何体里头还有东西是可以运算的,就是道路。两条道路如果 首尾相接 , 就 组成一条新的道路,这就是 道路的乘法 。这里有两个问题需要处理,首先,不是任何两条道路都能相乘 (必须首尾相接才可以) ,然后,即使能相乘,乘法也不满足结合律,运算起来不方便。庞卡莱想到了办法解决这两个问题。他在几何体内取一个基点,只考虑那些从这个点出发再回到这个点的道路,这些道路当然 互相 首尾相连;然后他规定,如果一条道路 能在几何体内经过连续变形 到另一条道路 (见下图) ,这两条道路就被看作在同一个 “ 道路类 ” 中,这样规定后, “ 道路类 ” 之间的乘法就满足结合律了。这些 “ 道路类 ” 也组成一个代数对象,有乘法运算,这个对象叫做几何体的 “ 基本群 ” ,或者 “ 1 维同伦群 ” 。 来点感性认识。线段的基本群只有一个元素,就是静止在基点的道路。线段里的其他任何从基点出发回到基点的道路都可以在线段内连续变形到静止在基点的道路。我们把只包含一个元素的基本群称为 “ 平凡的 ” 。再看圆周,它的基本群是所有整数组成的。绕圆周 n 圈的道路不能在圆周上连续变形到绕圆周 m 圈的道路,而把它们首尾相接的结果就是绕圆周 n+m 圈的道路,这里道路类之间的乘法体现为整数间的加法。第三个例子,球面,它的基本群是平凡的,因为球面上所有由基点出发的回路都可以在球面上连续变形(滑缩)为静止在基点的道路 (见左图)。 具有平凡 基本群的几何体称为 “ 单连通的 ” 。 基本群的计算涉及到更深入的细节,比如拓扑的具体定义,拓扑空间之间的映射,等等,无法在这里详加解释。有兴 趣进一步了解 的朋友请参阅 《 基础拓扑学 》, 阿姆斯特朗( M.A.Armstrong )著;孙以丰译。 发明了 基 本群以后,庞卡莱 觉得 这个更加精确的拓扑性质 应该足以 把三维球面 从其它三维几何体中 区分出来 ,但他自己无法证明。 这就是举世闻名的庞卡莱猜想:单连通的三维封闭几何体一定是三维球面。这个猜想及其推广主导了代数拓扑学一百年的发展,最终在 2004 年由俄罗斯数学家裴若曼给出证明。 裴若曼因此在 2006 年获得数学界最高荣誉 —— 菲尔兹奖。 (待续) 拓扑学简介(四)—— 流形 Comments | Tags 标签: n 维流形 , 原创 , 拓扑学 , 黎曼 季候风 发表于 2009-12-30 13:20 拓扑学简介(一) 拓扑学简介(二) 拓扑学简介(三) 1854年,28岁的黎曼在哥廷根大学发表就职演讲。这个职位是所谓无薪讲师,他的收入完全来自于听课的学生所缴纳的学费。即使是争取这样一个职位, 也需要提供一篇就职论文以及发表一个就职演讲。1853年他提交了就职论文,其中讨论了什么样的函数可以展开成三角级数的问题,并导致对定积分的第一个严 格数学定义。 之后的就职演讲要求候选人准备三个演讲课题,委员会从中挑选一个作为正式演讲题目。黎曼选了两个思虑多时的课题,外加一个还未及考虑的课题 ——关于几何学的基本假设。他几乎确信委员会将挑选前面两个题目之一。然而,委员会的高斯偏偏就看中了第三个题目。当时黎曼正沉浸于电、磁、光、引力之间 的相互关系问题,从这样的深沉思考中抽身转而研究新的问题无疑是一种巨大的压力,再加上长期的贫穷,一度让黎曼崩溃。但不久他就重新振作起来,用 7 个星期时间准备了关于几何学基本假设的演讲。为了让数学系以外的委员会成员理解他的演讲,黎曼只用了一个公式,并且忽略了所有计算细节。尽管如此,估计在场鲜有人能理解这次演讲的内容。只有高斯为黎曼演讲中蕴含的深邃思想激动不已。 黎曼在演讲中提出了 “弯曲空间” 的概念,并给出怎样研究这些空间的建议。 “弯曲空间” 正是后世拓扑学研究的主要对象。在这些对象上,除了可以运用代数拓扑的工具,还可以运用微积分工具,这就形成了 “微分拓扑学”。 回到黎曼的演讲。黎曼认为,几何学的对象缺乏先验的定义,欧几里德的公理只是假设了未定义的几何对象之间的关系,而我们却不知道这些关系怎么来的, 甚至不知道为什么几何对象之间会存在关系。黎曼认为,几何对象应该是一些多度延展的量,体现出各种可能的度量性质。而我们生活的空间只是一个特殊的三度延展的量,因此欧几里德的公理只能从经验导出,而不是几何对象基本定义的推论。欧氏几何的公理和定理根本就只是假设而已。但是,我们可以考察这些定理成立的可能性,然后再试图把它们推广到我们日常观察的范围之外的几何,比如大到不可测的几何,以及小到不可测的几何。接着,黎曼开始了关于延展性,维数,以及将延展性数量化的讨论。他给了这些多度延展的量(几何对象)一个名称,德文写作 mannigfaltigkeit, 英文翻译为manifold,英文字面意思可以理解为 “多层”,中国第一个拓扑学家江泽涵把这个词翻译为 “流形”,取自文天祥《正气歌》,“天地有正气,杂然赋流形”,而其原始出处为《易经》,“大哉乾元,万物资始,乃统天。云行雨施,品物流形。”这个翻 译比英文翻译更加符合黎曼的原意,即多样化的形体。 黎曼定义的 “n 维流形” 大概是这个样子的:以其中一个点为基准,则周围每个点的位置都可以用 n 个实数来确定。后人将这种性质总结为:流形的局部与 n 维欧氏空间的局部具有相同的拓扑性质。如果进一步要求在流形的不同局部做微积分的结果可以互相联系起来,成为 “整体微积分”,则称此流形为 “微分流形”。一个简单的例子就是二维球面。我们都知道,二维球面上没有整体适用的坐标。经度和纬度是一组很好的坐标,但是在南北两极,经度无从定义。尽管如此,球面的每个局部都可以画在平面上,这就是地图。把各个区域的地图收集在一起,重叠的部分用比例尺协调一下,就得到整个球面。这样,坐标(或地图) 只存在于每个局部,而整个球面其实是地图之间的重叠关系。球面是二维流形,因为球面的局部同平面(二维欧氏空间)的局部具有相同的延展性质。球面的整体结构显然跟平面不同。沿着球面的某个方向往前走,比如,从赤道某点出发往东走,最终会回到出发点。而如果在平面上沿某个方向往前走则永不回到出发点。研究流形的整体结构,以及整体结构与局部结构之间的关系,就是 “拓扑学” 的核心课题。微分流形上可以使用微积分的工具,再辅之以前面介绍过的代数工具(同调群,同伦群),就形成了威力强大的 “微分拓扑学”。这门学问的发展使我们对 5 维以上的单连通微分流形(回忆先前介绍的 “单连通” 概念,即每条曲线可于流形内滑缩为一点)有了比较彻底的认识。 到了80年代,数学家对 4 维单连通 “拓扑流形” 也有了彻底的认识,然而 4 维 “微分流形” 却是无比复杂的对象。比如,直观上最简单的四维流形,四维欧氏空间,也就是所有 (x,y,z,t) 这样的数组组成的空间,有无穷多个“微分结构”,通俗一点说,这个流形上有无穷多种 “整体微积分” 可做,而我们通常做的四元微积分只是其中一种。这是 4 维的特殊性,因为其他维数的欧氏空间都跟我们的常识相符。也许 “4” 就是传说中的上帝之数,我们的宇宙就是用 4 个参数来描述的(3个参数表示空间,1 个参数表示时间),我们的时空是一个四维流形。 如果我们忘掉时间,只考察我们生活的空间。它的形态会是怎样?这是黎曼在演讲结尾提出的问题。这个问题到现在还没有答案。这个答案需要物理学家、天文学家、宇宙学家去寻找。宇宙空间会不会是一个三维球面?如果是三维球面,那我们沿着一个方向往前飞行,最终总会回到起点。 拓扑学简介(五)—- 爬虫的世界 Comments | Tags 标签: 原创 , 拓扑学 , 爬虫几何 季候风 发表于 2010-01-17 10:35 黎曼所描述的几何经常被形容为 “爬虫的几何”,因为黎曼假设观察者处于流形内部。对人类来说,二维流形是非常直观的对象,它们通常被称为“曲面”。而三维流形却难以想象,正因为我们处于宇宙空间这个三维流形内部。 爬虫几乎是二维的生物,它们靠爬行来感知周围世界。1884年英国小说家 E. A. Abbott 的科幻小说《平面国》描述了真正的二维爬虫,以及它们对额外维(仅仅是第三维)的恐惧不安。 现在让我们体会一下二维爬虫的世界。假设这个世界是一个二维球面,任何事件都发生在这个球面上。最重要的是,光线沿着球面传播。而我们人类可以从外部观察这个二维球面世界。古希腊数学家就已经知道,球面上连接两点的所有曲线段中存在最短者,即以球心为圆心的弧(称为“大圆弧”)。爬虫通过测量也能发现这个最短线段,但在爬虫的世界里,“球心”并不存在。我们假设爬虫的光学定律也要求光线沿短程线传播,所以二维球面上的光线,即短程线,在人类看来是一些大圆弧。一个处于球面上 P点处的光源发出的所有光线沿着大圆传播,它们将汇聚于 P 的“对极点” P’ (人类倾向于定义对极点 P’ 为三维空间中连接 P 和球心的直线与球面的另一交点;而爬虫将定义对极点为离 P 最远的那个点)。爬虫们实际上看到两个发光点 P 和 P’,一个是真实的,另一个是像(按高中物理的说法,P’ 处的发光点是 P 处光源的“实像”)。这是因为光线在 P’ 汇聚之后再次散开,眼睛将告诉大脑这些光线是从 P’ 发出来的。有延展的物体,比如一个四边形爬虫,不妨设它的眼睛长在“前边”。那么它往前看将看见自己的“后边”,往左看将看见自己的“右边”。它看到了自己在“远方”成的像。有多远?圆周率乘以这个二维世界的半径。有趣的是,对于正好处在此爬虫对极点的观察者而言,爬虫“无处不在”,往任何一个方向看都能看到爬虫,非常恐怖的景象。这个世界的另一个显著特点是,它“有限无边”。如果爬虫认定一个方向往前爬,它可以永远爬下去,不会碰到“世界的边缘”,此即“无边”;而如果爬虫会丈量面积,那么它发现这个世界的总面积是有限的,如果它一直往前爬,它会一次又一次地回到起点,此即“有限”。 有限无边的二维流形当然不必是球面。比如,爬虫的世界完全可以是我们人类所谓“轮胎面”,数学家叫它“环面”。在这样一个世界里,房地产开发商将是一个危险的职业,因为有时候画了一个圈来圈地,结果什么都没有圈进去。比如轮胎上的经线圈和纬线圈。脑满肠肥的开发商们应该庆幸我们人类脚下正好是一个球面,随便画个圈都会有收获。言归正传,数学家们发现我们人类观察到的轮胎面并非其最自然的形式。 这个二维流形更自然的模型是把一个正方形的对边等同起来。这是一个奇怪的世界,光线在正方形内沿直线传播,当你疑惑光线到达正方形的上边缘以后将往何处去时,你忘记了这个世界是“有限无边”的,上边缘和下边缘是同一条线,所以光线又从下边缘射上来。这个世界里,点光源不会成像,因为它发出的光走的是平面上(正方形内)的直线,正常发散,永不重聚。但是爬虫仍然会看到远方的自己。与球面世界不同的是,爬虫会看到无穷多个自己:朝任何一个斜率为有理数的方向看,就会从某个角度看到自己。怎么理解这个现象?可以用这个正方形的无穷多个复制品地板砖式地铺满整个平面,每一个这样的正方形都被解释为同一个环面世界。光线在环面世界里的传播就可以从光线在平面上的传播读出来:在平面上画一条无限延伸的直线,这条直线在某个正方形 S 中划出一条线段 C,然后进入到另一个正方形 S1,划出另一条线段 C1,我们按照 C1 在 S1 中的位置将它复制到 S 中,同线段 C 一起构成环面世界里光线的一段轨迹。这种“地板砖”式构造在拓扑学中称为“泛复叠”,其目的是用一个具有高度对称性的简单拓扑空间来研究一个比较复杂的拓扑空间。对环面而言,平面就是这个简单拓扑空间,而其对称性就是左右平移和上下平移。我们看到,在这个“泛复叠”里,一个爬虫被复制成了无穷多个,处于每个正方形的相同位置。连接任意两个复制品,得到一条斜率为有理数的线段,根据我们刚才关于光线的分析,平面上的这条线段代表环面上一条起于爬虫而止于爬虫的光线。所以,沿着这个方向爬虫将看到自己的某个侧面。数学家设计了一些环面上的小游戏,比如迷宫、台球、象棋等等,有兴趣的朋友可以到 http://www.geometrygames.org/ 去下载体验一下。 其它的二维流形称为“多环面”。(这里我们只谈论有限无边的,而且“可定向”的二维流形,像莫比乌斯带那种“单侧”的流形不在我们考虑之列。)这些流形也有最自然的模型,由“双曲平面”上的多边形粘合而成。这样的世界里,光线传播得更奇怪一些,它们发散得特别厉害。光线的发散性质不是拓扑性质,它依赖于我们所选的模型,即数学家所谓“黎曼度量”。发散性质反映了黎曼度量的“曲率”,弯曲程度。如果光线从某一点向周围“线性发散”,即光强随距离线性减弱,则流形在这一点是“平直的”。球面上光强减弱得比较慢,因为相对于平直空间(欧氏空间)来说球面上的光线倾向于“汇聚”,这是“正曲率”的标志;而多环面上的光强减弱非常快,这是“负曲率”的标志。黎曼度量和曲率是另外一个话题,跟爱因斯坦的广义相对论有关,就不赘述了。之前考虑二维世界的时候引进拓扑之外的结构——黎曼度量,是因为度量可以更好地帮助我们想象比较奇怪的拓扑结构,比如环面及其“泛复叠”。 充分地理解了可怜的爬虫以后,我们可以“顾影自怜”了。我们的宇宙是什么样子的?是不是一个“三维球面”?宇宙中某个光源发出的光线是否汇聚到对极点,那最遥远的地方?或者是一个“三维环面”?四面八方都应该是我们自己,而我们看不到无穷多个自己只不过是因为宇宙太宽广而光线在传播过程中消耗殆尽?或者,宇宙根本就不是“有限”的,这似乎更符合大多数人的信仰。即使是有限宇宙,由于维数更高,其可能形态比二维流形更多,至今数学家还未能将它们穷尽。 拓扑学简介(六)——结语 Comments | Tags 标签: 原创 , 拓扑学 , 柯尼斯堡七桥 , 欧拉 季候风 发表于 2010-04-13 09:16 前面几篇简要涉及了代数拓扑、微分拓扑、低维拓扑,如果大伙儿还不知道这些是啥,请复习拙著 :) 。其实,拓扑的概念和方法已经渗透到整个数学,而不仅限于拓扑学研究本身。 很多文献会提到,拓扑学起源于柯尼斯堡七桥问题,以及与此相关的一笔画问题。欧拉解答了这个问题。同样是欧拉,给出了第一个拓扑不变量,多面体表面的欧拉数(点数-边数+面数)。可以认为欧拉是第一个研究代数拓扑学的人(虽然莱布尼兹曾经臆想过)。 传说中高斯当年是德国国土局的领导,负责丈量土地。他由此观测到山脊附近的地面弯曲性质可以用内在的测量方法得到(所谓曲面的内蕴几何),他还定义了度量曲率大小的量(高斯曲率),并且将这个局部定义的、可以用微积分计算的量同整体定义的欧拉数联系起来(高斯-博内定理),所以他可以被追认为研究微分拓扑的第一人。当然,高斯的主业其实是政府工作、开创现代数论、以及电磁学。业余时间研究一下各种误差的分布啊,欧几里德的几何原本有什么错误啊之类的小问题作为消遣。 第二尊菩萨,黎曼同学,除了开创流形的几何学、发展了傅立叶分析和积分理论、研究了一下素数分布提出世界第一难题黎曼猜想之外,他不到40岁的短暂一生的其余时间基本上都在思考复变函数的问题。为什么有的复变函数是多值的?比如平方根和对数。能否把它们以某种方式变成单值函数?人们的思维定势是,既然函数是多值的,就像一条横着的抛物线,一个 x 对应到两个 y, 要变成单值很容易啊,砍掉抛物线的一半就行了。黎曼不这么看。他觉得,如果把函数图像本身作为定义域,每个点当然只对应到一个 y. 这样函数就变成单值的了,而且没有丢掉任何信息。如果是复变函数,其图像就是一个二维曲面,这就是黎曼曲面。黎曼曲面上有很多复杂的现象,这些现象催生了诸如连通性、单连通性、复叠空间这些拓扑概念,以及奇点、除子、函数域等等一些代数几何的概念。抛开代数几何不说,黎曼也许可以被屈尊为研究低维拓扑的第一人。 牛顿莱布尼兹发明了微积分之后,大家对无穷小无穷大这两个概念很不放心。为了让我们用得更安心,柯西和威尔斯特拉斯等人后来把无穷小解释得非常透彻,基本上就是说两个东西越来越近。“离得近”这个概念从而成为分析中最核心的概念。它正是所有拓扑学分支的共同基础——“点集拓扑”的起源。拓扑学在现实生活中的应用多数跟点集拓扑有关,即,通过分析“收敛性”体现在应用数学中。所以,最牛的牛顿被屈尊为研究点集拓扑第一人(有好事者不以为然,一定要扯到古希腊的阿基米德,这就见仁见智了。) 总而言之,拓扑学有着高贵的血统。当然,好汉不提当年勇,拓扑学的现在和将来如何?20世纪中叶,代数拓扑学朝着高度抽象的方向发展,两位名不见经传的数学工作者(艾伦伯格-麦克雷恩)突发奇想,从中总结出一套抽象语言。为了体现这套语言之形而上,他们重载了先贤亚里士多德的概念——范畴。继解析几何与微积分以来人类数学又一次在概念上经历了大变革。范畴论诞生了。20世纪数学的上帝——格罗登迪克,用7000页的数学圣经将拓扑学和范畴论全面而深遂地渗透到代数几何和数论研究中,改变了整个数学的风貌。与此呼应,世纪之交的物理学也在经历变革,量子场论和弦论呈现出绚丽多姿的数学结构。20世纪物理学的耶稣(上帝被爱因斯坦附身了)爱德华.威顿,身负绝世的拓扑神功,一经施展,整个理论物理学为之色变。拓扑学三位一体,必须要像生物学一样将21世纪纳入自己的势力范围。所以,在这个系列的结尾,让我骄傲地替拓扑学宣称:21世纪是拓扑的世纪!!
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碳的零维一维二维材料
zuozw 2009-8-7 23:05
碳,作为一种非常常见的元素,对有机物有着重要的意义。单质碳材料有零维,一维,二维和三维。这里主要介绍一下富勒烯,碳纳米管和石墨烯这三种材料。 富勒烯(巴基球,足球烯,Fullerene,C60): 作为零维材料,在1985年英国H. W. Kroto和美国R. E. Smalley等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中发现C60。由五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。 1985年文章 C60 Buckminsterfullerene 。 在碳纳米管发现之前,它是研究的热点,在生物和医学有着重要的意义。此外还有C78、C82、C84、C90、C96等。 碳纳米管(carbon naotubes) 作为一维纳米材料,自1991年被S. Iijima发现以来一直是研究的热点。根据层数可分为单壁(single-wall carbon nanotubes)和多壁(multiwall carbon nanotubes)。根据手性可分为非手性(armchair和zigzag)和手性(chiral)结构。中空结构,一般可认为是单层石墨卷曲而成。它在很多领域都有着广泛的应用和前景。正如美国Alex Zettl 教授说,就应用前景对C60和碳纳米管进行全面的比较,C60可以用一页纸概括,而碳纳米管需要一本书来完成。推荐一本书Physical properties of carbon nanotubes(R. Saito, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus 1998,Imperial College Press ,世图有卖:39元)。 The field of nanotubes is still rapidly growing. As emphasized, many questions are still unanswered. The dynamics of hot electrons (and electron-hole pairs) in optical experiments, the nature of the contact resistance at metallic electrode interfaces, the effect of an out-of- equilibrium phonon distribution on inelastic scattering, and the domain of existence of the Luttinger-liquid, charge-density-wave, and superconducting phases are still subjects which require a considerable amount of work and understanding. Further, and beyond the intrinsic properties of nanotubes, the physics of functionalized, chemisorbed, doped, or excited CNTs is driven by potential applications in molecular electronics, optoelectronics, and sensors. Such themes are still largely unexplored areas for theorists: while early theoretical papers preceded experiments on the discussion of the basic electronic properties of pristine tubes, such complex systems and applications have now been demonstrated experimentally and theory is lagging behind. The field of nanotubes has fostered much interest in related systems such as graphene or semiconducting nanowires.(摘自Rev. Mod. Phys., Vol. 79, No. 2,667-732,2007.见下面RMP文章). Iijima91年Natrue文章 07年RMP综述文章 Electronic and transport properties of nanotubes 石墨烯(单层石墨,graphene) 作为二维材料,一般厚度方向为单原子层或双原子层碳原子。完美的石墨烯包括六角元胞(等角六边形)。2004年被英国A.K.Geim发现。石墨烯有众多优异的物理性质,在很多现象中有很多异常的行为如整数量子霍尔效应,准粒子激发谱可用2+1维无质量的相对论Dirac方程描述等等。近几年研究的特别热。 Graphene is a unique system in many ways. It is truly 2D, has unusual electronic excitations described in terms of Dirac fermions that move in a curved space, is an interesting mix of a semiconductor (zero density of states) and a metal (gaplessness), and has properties of soft matter. The electrons in graphene seem to be almost insensitive to disorder and electron-electron interactions and have very long mean free paths. Hence, graphene's properties are different from what is found in usual metals and semiconductors. Graphene has also a robust but flexible structure with unusual phonon modes that do not exist in ordinary 3D solids. In some sense, grapheme brings together issues in quantum gravity and particle physics, and also from soft and hard condensed matter. Interestingly enough, these properties can be easily modified with the application of electric and magnetic fields, addition of layers, control of its geometry, and chemical doping. Moreover, graphene can be directly and relatively easily probed by various scanning probe techniques from mesoscopic down to atomic scales, because it is not buried inside a 3D structure. This makes graphene one of the most versatile systems in condensed-matter research。(摘自Rev. Mod. Phys., Vol. 81,No. 1,109-162,2009.文章见下面). 09年RMP综述文章 The electronic properties of graphene
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