白云石的扫描电镜图片：一种具有显著菱形结构的矿物。图片来源：NANO CREATIVE/SCIENCE SOURCE

也许立体主义是对的。近日，研究人员在美国《国家科学院院刊》上报告称，不论是冰山还是岩石，当一切都破碎时，它们的碎片往往像立方体。这一发现表明，从微观到宏观都存在普遍的碎裂规律。

“这是纯数学、材料科学和地质学的完美结合，”未参与该研究的美国普林斯顿大学化学和生物工程师Sujit Datta说。

这一发现建立在匈牙利布达佩斯技术与经济大学数学家Gábor Domokos之前的工作基础上，Domokos在2006年帮助证明了冈布茨的存在。冈布茨是一种宝石状的形状，只有一个稳定和一个不稳定平衡点。无论以任何角度将冈布茨放置在水平面上，它都可以自行回到其稳定点，不像圆柱体可以停在自己的一端或一边。

随后的工作中，Domokos及其同事发现，被冲到下游的鹅卵石和被风吹来的沙粒这类实体，往往会被侵蚀成冈布茨形状，而不会达到理想形状。“冈布茨是自然的一部分，但只是一个梦。”Domokos说。

Domokos团队转换了方向——研究岩石是如何产生的。他们开始在计算机模拟中“分割”一个抽象立方体，方法是将50个二维平面以随机角度插入该立方体。这些平面将立方体切割成600000个碎片，平均而言，这些碎片本身就是立方体，也就是说，这些碎片有六个四边形，尽管任何单个的碎片不一定是立方体。这一结果使研究人员怀疑立方体可能是碎裂的共同特征。

研究人员试图通过实际测量来证实这一预感。他们选择了匈牙利布达佩斯Hármashatárhegy山上一块露出地面的白云石，并计算石头表面裂缝中的顶点数量。不管这些裂缝是自然风化的还是人为造成的，大部分裂缝都形成了方块状，是立方体的一个侧面，

最后，该团队创建了更强大的超级计算机来模拟三维材料在理想状态下的破裂过程，就像一块岩石在各个方向被同等地拉动。研究人员表示，一般意义上，这种情况下形成的多面体碎片是立方体。

怀疑论者可能会指出，自然界中的许多东西并没有分裂成立方体。例如，云母等矿物脱落成薄片，包括北爱尔兰巨人堤道在内的玄武岩岩层则碎裂成六角形柱。

该论文通讯作者之一、美国宾夕法尼亚大学地球物理学家Douglas Jerolmack说，这是因为真实的材料并不是他们在模拟中发现的理想化状态，它们通常包含有利于非立方破坏的内部结构或特性。例如，云母脱落成薄片是因为它的某一个方向弱于其垂直方向。

“但从统计学平均意义上讲，岩石诞生时只是立方体的模糊阴影。”Jerolmack补充，这些发现可以帮助水文学者预测地下裂缝中流动的流体，或者帮助地质学家计算悬崖表面危险岩石的大小。

然而，一些人发现这项研究有点难以分析。GFZ-德国地球科学研究中心地质学家Anne Voigtlander说：“你需要对地球表面过程有一个抽象的理论观点，这样才能真正挖掘其中的含义。对地质学家来说，有时很难理解它的价值，或者知道它适用于何处。”

Jerolmack表示赞同，从某种意义上说，这个结果更符合哲学而不是科学。他的团队从希腊哲学家柏拉图那里获得了灵感：柏拉图将四种古典元素土、气、火和水一一关联到一个正多面体，巧妙地将地球与立方体连接起来。这让人想起柏拉图关于洞穴的寓言。他提出了一种理想化的形式，这对理解宇宙至关重要，但人们所看到的只是那种完美形式的扭曲影子。

相关论文信息： https://doi.org/10.1073/pnas.2001037117