可视化汤姆逊问题

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汤姆逊问题是一个著名的未解决问题,在数学、化学和物理中有多种应用。问题是找到球壳上点电荷的最佳分布,从而使系统的总能量最小化。从概念上讲,这是通过使所有点尽可能彼此远离来实现的。对于某些数量的点,例如四个或六个,解决方案相对简单(这些解决方案分别采用四面体和八面体的几何形状)。然而,大多数情况下,如十一或十九,没有公认的解决方案。这个论证从经验上发现了一系列点的随机初始位置的平衡配置,并将其总能量与已知的最佳能量进行了比较。

贡献者:马克·彼得森 (2013年1月)
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快照


细节

尽管本演示经常发现低能稳定配置,但这些系统不一定是最佳解决方案。换句话说,任何给定数量的点都可能有一个以上的稳定结果,但这些结果中只有一个是最优解。例如,五个点通常位于三角双金字塔的几何结构中,但有时它们会形成方形金字塔。在五个点的情况下,更可能的结果也被证明是最优解,但可以想象的是,某些点的解相对来说是不可能的,因此不能假定一个共同的稳定状态就是解。为此,在演示中用作基准的“最佳能量”仅仅是已知在未知解决方案(例如9点和13点)情况下可以实现的最低能量。

有三个查看选项可用于可视化点的进展:

仅显示位置向量是最简单的选项,并提供最流畅的运动。观察点在稳定位置时的进展情况非常有用,尤其是在最初几步中,当力通常最强,运动最极端时。

显示等效多面体的面可能是最直观的方法。这也显示了稳定状态的一些有趣特征。请注意,较简单的多边形通常比高阶多边形更稳定,更容易形成。具有完全三角形面的正多面体,即四点四面体、六点八面体,甚至十二点二十面体,是非常稳定、形式可靠的,事实上是这些情况的解决方案。在这些多面体中,比四边形更复杂的面极为罕见。

显示点的能量有助于理解点的行为。任何给定点周围区域的不透明度与该点的能量成正比,因此实心红色显示高能,半透明红色显示低能。如果两个点之间由于距离较近而存在高能,则它们将以强大的力相互排斥。如果两个点之间的能量很低,因为它们相距很远,那么它们只会以微弱的力相互排斥。因此,这些点将形成一种配置,使彼此之间的距离最大化,以获得尽可能低的能量。

使用“随机种子”滑块生成点的新初始配置。如果将“进度”滑块设置为最大值,以便移动“随机种子”滑块可以快速滚动任何给定数量的点的稳定状态,则此功能特别有用。这提供了一个很好的机会,可以看到稳定状态的不同几何形状。一般来说,随着点的数量增加,可能的稳定状态的数量也会增加。因此,可能需要多次尝试才能获得高阶多面体的特定几何体。这方面的一个例子是冷落立方体,这是二十四个点的解决方案(也是唯一已知的大于十二个点的任何数量的解决方案)。这是最佳解决方案,但24个点有许多稳定状态,它们的总能量几乎相同,因此只需几步就可以形成缓冲立方体的概率相对较低。

快照1:六点的情况是最简单和稳定的情况之一。注意电流分布的能量是如何接近最佳值的。

快照2:相反,11分的情况是不可预测的。根据初始分布,最终配置将是几个常见结果之一,所有结果几乎没有对称性。

快照3:随着壳层变得越来越致密,它也变得越来越密集,能量也越来越大。将这个12点配置与快照4进行比较。

快照4:将此稀疏供电的四点配置与快照3进行比较。



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