Disordered Hyperuniformity - stan materii znaleziony w oku kurczaka

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 09:39

Pomimo tego, czego nauczyłeś się w gimnazjum, istnieją sposób więcej niż cztery stany materii. Jedną z możliwych nowych, nieuporządkowaną hiperformalność, znaleziono niedawno w najdziwniejszym miejscu - oczach kurcząt.

Klasyczne stany materii

Aby lepiej zrozumieć egzotyczny stan materii, taki jak zaburzona hiperuniformalność, pomocne może być przejrzenie cech klasycznych stanów materii: ciał stałych, cieczy, gazów i plazmy.

Zazwyczaj każdy jest definiowany zgodnie z gęstością i strukturą cząstek składowych:

Bryły

Materia w tym stanie zachowa swój kształt niezależnie od jej pojemnika, a jej cząstki składowe są ściśle ze sobą zapakowane. Istnieją dwa główne rodzaje ciał stałych:

Bezpostaciowe ciała stałe mają nieuporządkowane struktury, takie jak ciecze, ale są twarde i utrzymują swoje kształty jak inne ciała stałe. Amorficzne ciała stałe mają tylko "ograniczony, umiejscowiony porządek zbliżony do ich jednostek strukturalnych", ale nie ma kolejności dalekiego zasięgu. Przykłady obejmują szkło, plastik, majonez i błoto.

Krystaliczne ciała stałe mają dobrze uporządkowane, sztywne struktury, utrzymują swoje kształty "na długich odległościach atomowych" i dlatego mówi się, że mają uporządkowanie dalekiego zasięgu. Przykłady obejmują lód, sól i węgiel.

Ciecze

Mając cząstki ściśle ze sobą połączone, ale bez uporządkowanej struktury, w przeciwieństwie do bezpostaciowych ciał stałych, płyny będą swobodnie płynąć i nie utrzymają kształtu (samodzielnie). Ten stan materii ma stałą objętość i będzie dostosowany do kształtu swoich pojemników. Przykłady obejmują wodę, mleko i sok.

Jeden interesujący wariant, który istnieje w "stanie pośrednim… między krystalicznym stanem stałym a stanem ciekłym "są ciekłe kryształy. Ten rodzaj materii ma uporządkowanie dalekiego zasięgu, ale także płynie jak ciecz. Przykłady obejmują niektóre roztwory mydła, środki powierzchniowo czynne i ester cholesterolu.

Gazy

Materia w tym stanie nie ma ustrukturyzowanego układu i jak ciecz, przybierze kształt swojego pojemnika, ale w przeciwieństwie do cieczy, również się rozszerzy, aby ją wypełnić. Cząstki w gazie są luźno pakowane, dzięki czemu można sprężać gaz. Przykłady gazów obejmują powietrze i tlen.

Osocze

Podobnie jak gaz, plazma nie ma ustalonej struktury ani określonej objętości; jednak w przeciwieństwie do gazu cząsteczki plazmy są naładowane elektrycznie. Dlatego plazma może wytwarzać magnetyczne prądy elektryczne i pola magnetyczne, a także przewodzić prąd elektryczny. Przykłady plazmy obejmują błyskawicę i jonosferę Ziemi.

Egzotyczne stany materii

Materia, która istnieje w tych stanach, nie jest obserwowalna w normalnych warunkach. Przykłady egzotycznych stanów obejmują kondensaty Bosego-Einsteina, zdegenerowaną materię, nadciekłe substancje i, jak twierdzą niektórzy, nieuporządkowaną hiperformulację.

Nieuporządkowana hiperuniformalność

Ten stan charakteryzuje się "ukrytym porządkiem", który:

Zachowuje się jak kryształ i ciekłe stany materii, wystawiając porządek na duże odległości i nieporządek na niewielkich odległościach. Podobnie jak kryształy, stany te w dużym stopniu hamują zmiany gęstości cząstek… na dużych odległościach przestrzennych, dzięki czemu aranżacja jest wysoce jednolita. W tym samym czasie… [Te] systemy są podobne do cieczy, ponieważ mają te same właściwości fizyczne we wszystkich kierunkach.

Przykłady tego stanu można znaleźć w "ciekłym helu, prostych osoczach i gęsto upakowanych granulkach", jak również w siatkówkach kur.

Oczy Kurczaka

Aby zoptymalizować wzrok, komórki postrzegające światło powinny być rozmieszczone w układzie, który pozwala różnym komórkom "równomiernie próbkować światło przychodzące, aby uzyskać dokładną reprezentację sceny wizualnej". Najlepszym układem w królestwie zwierząt jest sześciokątny tablica złożonych oczu owadów. Jednak oczy kurczaków nie mogą pomieścić takiego uporządkowanego systemu.

Niezwykle skomplikowane, w przeciwieństwie do ludzkich oczu, które mają tylko trzy rodzaje szyszek w siatkówce, dobowe ptaki mają pięć:

Cztery pojedyncze stożki, które wspierają tetrachromatyczne widzenie kolorów (widząc więcej fal, a może nawet kolory niż ludzie) i podwójny stożek, który uważa się za pośredniczący w percepcji ruchu achromatycznego [bez koloru].

Ze względu na ich różne rozmiary i skład, pięć stożków w oczach kurcząt (po jednym dla zielonego, niebieskiego, czerwonego i fioletowego, jak również stożek, który wykrywa "luminację") nie może istnieć w optymalnym uporządkowanym układzie lub układzie. Ich dystrybucja wydaje się raczej nieregularna, choć nie losowa:

Poszczególne wzory stożków w siatkówce ptaka są rozmieszczone tak, że stożki jednego typu prawie nigdy nie występują w bliskim sąsiedztwie innych stożków tego samego typu. W ten sposób ptak osiąga o wiele bardziej jednorodny układ każdego z typów stożków niż w przypadkowym (Poissona) wzorze punktów.

Znalezienie tego stanu było zagadkowe, naukowcy niedawno zaatakowali problem za pomocą "wielu wrażliwych mikrostrukturalnych deskryptorów, które powstają w mechanice statystycznej i teorii pakowania cząstek" (lub jak to nazywam - matematyka i nauka) i odkryli:

Niezwykły typ skorelowanych zaburzeń w dużej skali znany jako hiperuniformalność… [gdzie] wzory fotoreceptorów [stożków] zarówno populacji całkowitej [wszystkie typy stożków], jak i poszczególnych typów komórek [fiolet, czerwień, błękit, zieleń i luminancja] są jednocześnie hiperonformalne, co określamy jako wielohumeralność….

Oznacza to, że wszystkie pięć typów stożków, wziętych razem, ma układ hiperonformalny, i rozmieszczenie każdego typu stożka, jeśli rozpatrywane osobno, jest również bardzo duże. Naukowcy przypuszczali więc, że poszczególni członkowie każdego typu stożka muszą być "subtelnie połączeni przez regiony wykluczające, których używają do samoorganizacji w wzory".

Autorzy badania doszli do wniosku, że biorąc pod uwagę zróżnicowanie stożków, ten wzór jest najlepszy ze złej sytuacji:

Ponieważ stożki mają różne rozmiary, system nie jest łatwy do przejścia w stan uporządkowany lub uporządkowany. System jest sfrustrowany znalezieniem optymalnego rozwiązania… typowy uporządkowany układ. Chociaż wzór musi być nieuporządkowany, musi być tak jednolity, jak to możliwe. Tak więc nieuporządkowana hiperformalność jest doskonałym rozwiązaniem.