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第十二章 节 神奇的双螺旋(2 / 3)

η= Const.)中的运动

按照(9)式,则有:dt*2/dt2 =ξ2 = c2/(c2 +υ2) (15)

在η等于常数的情况下,将(15)式代入(8)式,并引入相对加速度符号a(t) = d2M/dt2,得出:a(t)=τηc2/(c2+υ2)+μkc2υ2/(c2+υ2) (16)

然后,再引入符号V2/ρ=ω公2ρ,以及ω自2 r =(ηV2/υ2), 其中,ω公为粒子的公转频率,ω自为粒子绕着质心“自旋”的角频率,r代表微观粒子本身的半径,则上式就可以改写成:

a(t)=(ω自2 r)τ+ (ω公2ρ)μ (17)

这就是在均匀外力作用下(η≠0),微观粒粒子的运动方程。不难理解,如果没有这种均匀外力的作用,微观粒子就不会具有自旋分量,即上式中的第一项。

在上式中,如果把第一项代表切线方向的相对加速度,第二项代表了主法线方向的相对加速度。而切线τ方向的相对加速度代表着微观粒子的“自旋”,而主法线μ方向的相对加速度代表着微观粒子的“公转”。这两种加速度的合成结果,导致微观粒子在前进运动的同时,伴随着自旋以及绕着前进方向为轴线的公转,其轨迹是一条螺旋线。

不言而喻,所有化学元素的分子,例如氮(N)、氢(H)、碳(C)的分子等都是微观粒子,因此,它们一定会呈现螺旋式的运动状态。同理碳水化合物所构成的蛋白质分子必然会出现螺旋状的结构。

而核苷酸的类型与双螺旋结构的原因:

根据微分几何的理论结果,我们知道

d2M/dt2 =τd2s/dt2 +μk(ds/dt)2 (18)

以及d2M/ds2 = kμ (19)

现在,我们把上式的二阶导数d2M/ds2再对具有“内蕴意义”的参数“s”微分,就得出了它的三阶微分关系式。不过,这里并不是直接把二阶导数d2M/ds2 = kμ对特别参数“s”进行微分,而是把这个式子右端的矢量μ和曲率k的乘积进行微分。由于从这里出发会使问题大为简化,所以,我们的讨论将从对矢量μ的微分开始,然后所得出的不变式来表示三阶导数d3M/ds3、以及d3M/dt3。不过,这里不准备进行具体的分析与讨论,而是直接地引用微分几何的理论结果(参见[3],第6972页),写出三阶微分邻域的不变式如下:

dτ/ds = kμ;dμ/ds = - kτ+ζβ;dβ/ds = -ζμ (20)

其中,β是副法线方向上的单位矢量。它的方向垂直于由τ和μ相交后所构成的平面。上式中各公式的符号是选择了“右旋坐标系”时的情况。倘若是改为“左旋坐标系”,对于曲线M(t)的定向运动来说,在切矢量τ改变方向时,在切线单位矢量τ与主法线单位矢量μ确定的旋转方向下,公式(20)所确定的副法线单位矢量β将改变自己的正方向。所以,由方程(20)所确定的不变式“ζβ”也随之改变符号,即:由(+ζβ)变成了(-ζβ);为了保持曲线M(t)的不变式ζ的符号,必须在公式(20)中改变矢量“β”的符号。这样一来,在左旋的坐标系中,相伴三面形单位矢量导数的“基本关系式”可以写成下列的形式:

dτ/ds = kμ;dμ/ds = - kτ-ζβ;dβ/ds = -ζμ (21)

其中,“ζ”是曲线的“挠率”,而r = 1/ζ是曲线的“挠率半径”。其中,符号“ζβ”的“正”与“负”,代表着参数相同的两个粒子之间的“自旋方向”刚好相反。

下面,我们取dβ/ds = 0,它代表着微观粒子的自旋轴的方向始终平行于粒子的前进方向,且β的数值不跟随着粒子的运动路程而变换。结果,上式就可以化成:

dτ/ds = kμ;dμ/ds = - kτ-ζβ (22)

上式表明,刚体的任何运动都可以分为两个部分:一是远离坐标原点的平行移动;二是绕固定轴的转动。换言之,在每一个给定的瞬间,物体的运动都是由两个基本的运动所组成:第一,平移此时物体在每一给定的时间内,它的各个部分都具有相同的运动速度。第二,转动此时物体上的某一条直线固定不动,而物体的其它部分则绕着这个固定的直线旋转。而这种旋转可以分成两个部分,一个是绕着固定旋转轴的“公转”,另一个是绕着粒子质心的“自旋”。正如(17)式所示,第一项代表着粒子围绕着质心的“自旋”;而第二项代表着围绕前进方向的“公转”。

当粒子在前进(dτ/ds>0)、或后退(dτ/ds<0)的过程中,相伴三面形T(M,τ,μ,β)的顶点M都同时包含着“平移”和“转动”两个方面。这里所包含的平移和转动,总共可以分成四种情况,分别由下列四个关系式来单独地确定:

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