|
2011年諾貝爾化學獎授予以色列人丹尼爾·舍特曼（Daniel Shechtman），他觀察到自然界中基本粒子存在非周期性排列的現(xiàn)象。這個 準晶模型 的發(fā)現(xiàn)，拓展了整個晶體學界的知識域和審美視野。 但其實，在此之前數(shù)學界就已經(jīng)研究過這個問題，并且持續(xù)探索了半個世紀之久，到今天雖然依舊留有懸念，不過結果已然精彩紛呈。問題的起源可以非常簡單，不妨讓我們從地板磚說起。  你注意過腳下的地板磚是什么形狀嗎？它們通常都是正三角形、正方形和正六邊形。事實上，如果想要用單一的一種正多邊形鋪滿整個平面，那么正三角形、正方形和正六邊形是僅有的三種選擇。這是因為，這三種圖形的內角分別是 60° 、90° 和 120° ，它們都是 360 的約數(shù)。如果換作內角為 108° 的正五邊形，那么它無論如何也沒法既無重復又無遺漏地鋪滿整個平面——三個正五邊形相接，不能擺滿 360° ；四個正五邊形相接，又超過 360° 了。  正多邊形平鋪平面的能力 不過，如果允許多種形狀不同的磚塊組合，我們就能得到幾乎是無窮無盡的地板磚設計方案。我們甚至能構造出這么一種極端的情況：單看每一種磚塊都不是平鋪平面的料，但把它們合在一起，就能得到一個漂亮的平鋪方案。在下圖中，基本的磚塊只有四種，正五邊形、正十邊形、正五角星和一個包含 16 條邊的 8 字形磚塊。這四種磚塊都沒法單獨平鋪平面，但彼此合作就能得出一個不錯的平鋪圖：  一個非周期性的平鋪方案 請注意，這個平鋪方案和我們之前的那些方案有一個很大的不同：它不是周期性的！換句話說，它不是某一種基本模式的重復排列，不管怎樣對整個平面進行平移，圖案都不能和原來重合。但這其實有些故弄玄虛的味道。因為事實上，我們可以用這四種磚塊實現(xiàn)一個簡單的周期性平鋪：  一個周期性的平鋪方案 于是我們想問：存在一組磚塊，它可以平鋪整個平面，但只能用非周期性的方法才能平鋪整個平面嗎？其實，為了給這個問題找出一個完美的回答，數(shù)學家們已經(jīng)奮斗了整整半個世紀。 故事的起點：王氏磚塊1961 年，美籍華裔數(shù)學家王浩考慮了這么一個有趣的問題：大小相同的正方形磚塊可以無限地平鋪整個平面，但如果增加一些額外的限制呢？王浩設想了一種邊上涂有顏色的正方形磚塊，并要求擺放磚塊時只有相同顏色的邊才能挨在一起（磚塊不能旋轉、翻折）。我們通常把這樣的磚塊叫做王氏磚塊（Wang tile）。任意給定一組王氏磚塊，能否用它們擺滿整個平面呢？如果磚塊數(shù)量一多，這就不容易看出來了，就連計算機也不見得有簡單的判斷方法。尋找一種簡潔有效的判斷方法，成為了王氏磚塊研究的核心問題。  一個可以平鋪平面的王氏磚塊組，以及一個不能平鋪平面的王氏磚塊組 在研究過程中，王浩找到了一種算法，它能夠列舉出所有可以周期性平鋪平面的磚塊組，同時也能列舉出所有不可以平鋪平面的磚塊組。因此，如果任意一個磚塊組都只可能屬于上述兩種情況之一，那么我們就能保證在有限長的時間里等到答案。這樣看來，王浩似乎成功找到了一種判斷給定的王氏磚塊是否能平鋪平面的算法。 但五年之后，事情突然發(fā)生了 180 度大逆轉。數(shù)學家羅伯特·貝格（Robert Berger）在 1966 年證明了，王氏磚塊問題事實上是一個不可判定問題。這聽上去似乎很不合邏輯，但經(jīng)過嚴格推導后，事實就擺在眼前：判斷一組給定的王氏磚塊能否平鋪整個平面，這不但沒有簡潔有效的算法，而且事實上根本就沒有任何算法。再天才、再有耐心的程序員，也不可能編寫出一個自動判斷一組王氏磚塊有無平鋪方案的程序，因為這在理論上就是不可能實現(xiàn)的。 把兩人得出的結論一對比，我們立即可知，一定存在一組王氏磚塊，它只能非周期性地平鋪平面！人們通常把這樣的磚塊組簡稱為“非周期性磚塊組”。在 1966 年的論文中，羅伯特·貝格給出了第一個非周期性磚塊組，它由 20426 個磚塊構成。沒多久，貝格本人又給出了一個含有 104 個磚塊的非周期性磚塊組。經(jīng)過其他數(shù)學家的努力，這個數(shù)目不斷地減小，最終在 1996 年減小到了 13 塊。  只含有 13 個磚塊的非周期性磚塊組  上述非周期性磚塊組的平鋪方案 羅賓遜磚塊組既然王氏磚塊中存在非周期性磚塊組，那么對于其他類型的磚塊，存在非周期性磚塊組也不足為奇了。1971 年，美國數(shù)學家拉斐爾·羅賓遜（Raphael M. Robinson）發(fā)現(xiàn)了一個只含 6 個磚塊的非周期性磚塊組。不過，這里“磚塊組”的意義和王氏磚塊卻有很大的區(qū)別：這里的磚塊都可以旋轉或者翻轉，另外除了邊上有匹配規(guī)則以外，角上也有相應的規(guī)則。下圖就是羅賓遜磚塊組，其中邊上和角上的匹配規(guī)則都巧妙地用拼圖的形式表示了出來。  羅賓遜磚塊組 為了便于研究，我們通常會在羅賓遜磚塊中加上兩種顏色的線條。羅賓遜磚塊組可以平鋪平面，但只能非周期性地平鋪平面。下圖就是一種平鋪方案，注意兩種顏色的線條將會產生尺度越來越大的正方形，這說明這種平鋪方案是非周期的。  羅賓遜磚塊組的平鋪方案，除右下角外，其他部分都省略了具體的磚塊形狀，只保留了由線條構成的“骨架” 彭羅斯磚塊組磚塊的數(shù)目還能繼續(xù)減少嗎？答案是肯定的。1974 年，英國數(shù)學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）跳出了正方形磚塊的圈子，巧妙地構造出了一系列非周期性磚塊組。其中最簡單的一個磚塊組只含兩個磚塊，它們分別是 36 度菱形和 72 度菱形：  彭羅斯磚塊組，其中邊界上的匹配規(guī)則已經(jīng)用拼圖的形式給出 在邊界規(guī)則的限定下，我們只能用它們非周期性地平鋪整個平面：  彭羅斯磚塊組的平鋪方案 現(xiàn)在，我們的問題就只剩下一個了：是否存在由單個磚塊構成的非周期性磚塊組呢？ 泰勒磚塊組2010 年 9 月，非周期性磚塊組的問題終于有了一個大突破。瓊·泰勒（Joan M. Taylor）發(fā)現(xiàn)了第一個只含單個磚塊的非周期性磚塊組。 泰勒磚塊組 這是一個六邊形的磚塊。在擺放的時候，我們可以任意旋轉或者翻轉磚塊，但有兩點限制。第一，黑色的線條必須連在一起（這也就相當于是邊界匹配規(guī)則）；第二，一條邊兩端的紫色小旗必須朝向相同的方向。 其中規(guī)則二中的兩個小旗來自于兩個不相鄰的磚塊?？梢宰C明，用這種六邊形磚塊是能夠平鋪整個平面的，但方案是唯一的。拼接的限制很巧妙地迫使黑色線條構成規(guī)模越來越大的三角形，從而使得整個圖形不具有周期性。 泰勒磚塊組的平鋪方案 不過，泰勒磚塊組有一個明顯不盡人意的地方：它的第二條規(guī)則是對不相鄰磚塊的擺放限制，這顯得有些“過”了。因此，非周期性磚塊組的問題仍然不能算作是徹底解決。是否存在一個更常規(guī)的單個非周期性磚塊呢？這個問題至今仍未解決。 想讓你的地板更酷更炫更騷更帥更靚更有型更與眾不同更 geek 更 math 嗎？用這些圖塊鋪地板吧。 參考資料： 維基百科： Aperiodic tiling 了解更多： |
|
|
