Можно ли замостить плоскость равными шестиугольниками. Решена задача о непериодичном замощении плоскости фигурами одной формы. С помощью рефлексии, воображения и интуиции она пытается подобрать новые отношения, новые уровни структуры, новые и различные ви

Несложно замостить плоскость паркетом из правильных треугольников, квадратов или шестиугольников (под замощением мы понимаем такую укладку, при которой вершины каждой фигуры прикладываются только к вершинам соседних фигур и не возникает ситуации, когда вершина приложилась к стороне). Примеры таких замощений приведены на рис. 1.

Никакими другими правильными n -угольниками покрыть плоскость без пробелов и наложений не получится. Вот как можно это объяснить. Как известно, сумма внутренних углов любого n -угольника равна (n – 2) · 180°. Поскольку все углы правильного n -угольника одинаковые, то градусная мера каждого угла есть . Если плоскость можно замостить такими фигурами, то в каждой вершине сходится k многоугольников (для некоторого k ). Сумма углов при этой вершине должна составлять 360°, поэтому . После нескольких простых преобразований это равенство превращается в такое: . Но, как легко проверить, последнее уравнение имеет только три пары решений, если считать, что n и k натуральные числа: k = 3, n = 6; k = 4, n = 4 или k = 6, n = 3. Этим парам чисел как раз и соответствуют приведенные на рис. 1 замощения.

А какими другими многоугольниками можно замостить плоскость без пробелов и наложений?

Задача

а) Докажите, что любым треугольником можно замостить плоскость.

б) Докажите, что любым четырёхугольником (как выпуклым, так и невыпуклым) можно замостить плоскость.

в) Приведите пример пятиугольника, которым можно замостить плоскость.

г) Приведите пример шестиугольника, которым нельзя замостить плоскость.

д) Приведите пример n -угольника для какого-либо n > 6, которым можно замостить плоскость.

Подсказка 1

В пунктах а), в), д) можно попытаться составить из одинаковых фигур «полоски», которыми потом легко замостить всю плоскость.

Пункт б): сложите из двух одинаковых четырехугольников шестиугольник, у которого противоположные стороны попарно параллельны. Такими шестиугольниками замостить плоскость уже достаточно просто.

Пункт г): используйте тот факт, что сумма углов при каждой вершине должна быть равна 360°.

Подсказка 2

В пункте д) можно попробовать действовать и по-другому: немного менять уже имеющиеся фигуры, чтобы получались новые замощения.

Решение

Примеры ответов изображены на рисунках.

в) Подойдет пятиугольник в форме домика:

г) Такими шестиугольниками плоскость замостить не получится: в «вырезанный» угол просто не влезет полностью никакая часть такого шестиугольника. По клеточкам это хорошо видно:

Можно придумать еще множество других шестиугольников, которыми нельзя замостить плоскость.

д) Вот пример двенадцатиугольника, которым можно замостить плоскость. Этот способ замощения получен как модификация обычной квадратной решетки (см. рис. 1, ii из условия):

Послесловие

Задача замощения плоскости одинаковыми фигурками без пробелов и наложений известна с древних времен. Один из ее частных случаев - вопрос о том, какими могут быть паркеты (то есть замощения плоскости правильными многоугольниками , причем не обязательно одинаковыми) и, в частности, правильные паркеты. Правильный паркет обладает таким свойством: при помощи параллельных переносов (сдвигов без вращений), которые переводят паркет в себя, можно совместить заранее выбранный узел с любым другим узлом паркета. На рис. 1 из условия изображены как раз правильные паркеты.

Не слишком сложно доказать, что существует всего 11 различных типов правильных паркетов (см. List of uniform tilings). Доказывается это примерно так же, как мы в условии задачи доказывали, что есть всего три типа паркета из одинаковых правильных многоугольников - градусные меры углов каждого правильного многоугольника известны, нужно лишь подобрать их так, чтобы в сумме получалось 360°, а это делается просто небольшим перебором вариантов. Существует много древних мозаик, в основу которых положены эти паркеты.

Мозаики из глины, камня и стекла (и паркеты из дерева и кафеля) - наиболее известное и понятное применение данной теории в жизни. Многие из нас могут убедиться в этом, зайдя к себе на кухню или в ванную. Будущие дизайнеры специально изучают математические паркеты, ведь они и их вариации часто используются в архитектуре и декоре.

Замощения встречаются и в природе. Кроме всем известных пчелиных сот наиболее яркие примеры - это геологические образования на мысе Столбчатом (остров Кунашир, большая гряда Курильских островов) и «Дорога гигантов» в Северной Ирландии.

Обобщение нашей задачи - замощение пространства - современный важный раздел кристаллографии, играющий важную роль в интегральной оптике и физике лазеров.

Как ни странно, до относительно недавних времен были известны только периодические замощения (которые полностью совмещаются с собой при некотором сдвиге и его повторениях). Однако в 1974 году английский ученый Роджер Пенроуз придумал непериодические мозаики, которые теперь называют в его честь мозаиками Пенроуза. Позднее (в 1984 году) подобные непериодические структуры были открыты в

Чтобы исследовать и описать объём, люди пользуются способом проецирования объёмного тела на плоскости. Это выглядит примерно так:

Зная, как выглядят проекции, можно распознать, исследовать, сконструировать истинный трёхмерный объект.

Это и есть метод исследования, распространённый в классической кристаллографии. Исследователи изучают сначала одну проекцию или плоскость, «мостя её» просчитанными элементами плотно как паркет, и изучают при этом симметрию и другие особенности в замощённой плоскости.

Затем заполняют этими плоскостями весь трёхмерный объём, как книги заполняют кубическую упаковочную коробку. Этот метод так и называется – метод замощения.

Интерес к замощению возник в связи с построением мозаик, орнаментов и других узоров, основанных на правильных многогранниках: треугольниках, квадратах и шестигранниках.

Замостить плоскость из правильного пятиугольника или пентагона никогда не удавалось. Он оставляет прорехи – незаполненные щели. И поэтому, в классической кристаллографии пентагональная симметрия считается по сегодняшний день запрещённой.

И, наконец, такой способ был найден.

В 1976 году английский ученый математик Роджер Пенроуз, активно работающий в различных областях математики, общей теории относительности и квантовой теории, дал математическое описание, названной в честь него «мозаики Пенроуза».

Она позволила с помощью всего лишь двух плиток весьма простой формы замостить бесконечную плоскость никогда не повторяющимся узором.

Чтобы понять математическую сущность “ромбов Пенроуза”, обратимся к пентаграмме.

В своей простейшей форме “плитки Пенроуза” представляют собой набор ромбовидных фигур двух типов, одни с внутренним углом 36°, другие – 72°. Каждый состоит из двух треугольников, которые заполняют соответствующую модель пентаграммы.

Соотношения элементов пентаграммы полностью отражают золотую пропорцию Фибоначчи. Ее основой является иррациональное число = 1,6180339…

Идея Пенроуза о плотном заполнении плоскости с помощью “золотых” ромбов была трансформирована на трехмерное пространство.

При этом роль “ромбов Пенроуза” в новых пространственных структурах могут играть икосаэдры и додекаэдры.

Это была красивая находка, всего одна из многочисленных придумок светлого и цепкого ума Роджера Пенроуза, который увлекается пространственными парадоксами. Здесь присутствует его безукоризненое понимание золотой пропорции Фибоначчи, что приблизило его исследование к искусству.

И именно это послужило базой для дальнейших исследований и открытия квазикристаллов в химических лабораториях и новому, более творческому пониманию трёхмерного пространства, как для науки,так и для искусства.

Одной из ярких примеров творческого исследования, привлекших моё внимание, стала молодая словенская художница Матюшка Тейя Крашек.

Она получила степень бакалавра живописи в Колледже визуальных искусств (Любляна, Словения). Ее теоретическая и практическая работа фокусируется на симметрии как связующей концепции между искусством и наукой.

Ее художественные работы представлялись на многих международных выставках и опубликованы в международных журналах.

М.Т. Крашек на своей выставке ‘Kaleidoscopic Fragrances’, Любляна, 2005

Художественное творчество Матюшки Тейи Крашек связано с различными видами симметрии, плитками и ромбами Пенроуза, квазикристаллами, золотым сечением как главным элементом симметрии, числами Фибоначчи и др.

С помощью рефлексии, воображения и интуиции она пытается подобрать новые отношения, новые уровни структуры, новые и различные виды порядка в этих элементах и структурах.

В своих работах она широко использует компьютерную графику как весьма полезное средство для создания художественных работ, которое является связующим звеном между наукой, математикой и искусством.

Если мы выберем одно из чисел Фибоначчи (например, 21 см) для длины стороны ромба Пенроуза в этой ощутимо нестабильной композиции, мы можем наблюдать, как длины некоторых отрезков в композиции образуют последовательность Фибоначчи.

Большое количество художественных композиций художницы посвящено квазикристаллам Шехтмана и решеткам Пенроуза.

В этих удивительных композициях проявления круговой симметрии можно наблюдать отношения между ромбами Пенроуза:

каждые два соседних ромба Пенроуза образуют пентагональную звезду. Можно заметить Декагон, образованный ребрами 10 смежных ромбов Пенроуза, создающий новый правильный многогранник.

И на последнем рисунке бесконечное взаимодействие ромбов Пенроуза – пентаграммы, пятиугольники, уменьшающиеся к центральной точке композиции. Отношения золотой пропорции представлены многими различными способами в различных шкалах.

Художественные композиции Матюшки Тейи Крашек привлекли огромное внимание представителей науки и искусства.

Мозаика Пенроуза – великолепный пример того, как красивое построение, находящееся на стыке различных дисциплин, обязательно находит себе применение.

В мире математики сенсация. Открыт новый вид пятиугольников , которые покрывают плоскость без разрывов и без перекрытий.

Это всего 15-й вид таких пятиугольников и первый, открытый за последние 30 лет.

Плоскость покрывается треугольниками и четырехугольниками любой формы, а вот с пятиугольниками все гораздо сложнее и интереснее. Правильные пятиугольники не могут покрыть плоскость, но некоторые неправильные пятиугольники могут. Поиск таких фигур уже сто лет является одной из самых интересных математических задач. Квест начался в 1918 году, когда математик Карл Рейнхард открыл пять первых подходящих фигур.

Долгое время считалось, что Рейнхард рассчитал все возможные формулы и больше таких пятиугольников не существует, но в 1968 году математик Р.Б.Кершнер (R. B. Kershner) нашел еще три, а Ричард Джеймс (Richard James) в 1975 году довел их число до девяти. В том же году 50-летняя американская домохозяйка и любительница математики Марджори Райс (Marjorie Rice) разработала собственный метод нотации и в течение нескольких лет открыла еще четыре пятиугольника. Наконец, в 1985 году Рольф Штайн довел число фигур до четырнадцати.

Пятиугольники остаются единственной фигурой, в отношении которой сохраняется неопределенность и загадка. В 1963 году было доказано, что существует всего три вида шестиугольников, покрывающих плоскость. Среди выпуклых семи-, восьми- и так далее -угольников таких нет. А вот с «пентагонами» пока не все ясно до конца.

До сегодняшнего дня было известно всего 14 видов таких пятиугольников. Они изображены на иллюстрации. Формулы для каждого из них приведены по ссылке .

В течение 30 лет никто не мог найти ничего нового, и вот наконец-то долгожданное открытие! Его сделала группа ученых из Вашингтонского университета: Кейси Манн (Casey Mann), Дженнифер Маклауд (Jennifer McLoud) и Дэвид вон Деро (David Von Derau). Вот как выглядит маленький красавчик.

«Мы открыли фигуру с помощью компьютерного перебора большого, но ограниченного количества вариантов, - говорит Кейси Манн. - Конечно, мы очень взволнованы и немного удивлены, что удалось открыть новый вид пятиугольника».

Открытие кажется чисто абстрактным, но на самом деле оно может найти практическое применение. Например, в производстве отделочной плитки.

Поиск новых пятиугольников, покрывающих плоскость, наверняка продолжится.

Для того, чтобы доказать неразрешимость задачи о замощении, для заданной машины Тьюринга M и слова w построим набор полимино, которым можно замостить четверть плоскости, если МТ не остановится на заданном слове. Если же МТ останавливается, то четверть плоскости полученным набором замостить невозможно.

Будем эмулировать процесс выполнения МТ на входе w \in \Sigma^* путем построения вертикальных рядов, каждый из которых эквивалентен конфигурации МТ на определенном этапе выполнения. Первый ряд эквивалентен начальной конфигурации МТ, а каждый следующий ряд соответствует следующей конфигурации. Говоря простым языком, каждый ряд представляет из себя "снимок" состояния машины на соответствующем этапе выполнения.

На рисунке сверху изображены два вертикальных ряда полимино. Первый ряд соответствует МТ и слову w . Первое полимино соответствует паре из первого символа и начального состояния, все остальные - символам из w . Во втором ряду второе полимино соответствует паре из символа w и состояния q . То есть МТ сделала переход \delta (s, w) = \langle q, w, \rightarrow \rangle .

Теперь на основе заданной МТ будем строить набор полимино, которые будут иметь следующий вид:

На каждой стороне такого полимино находится определенное число выступов/впадин. Каждому символу из алфавита, состоянию и паре из состояния и символа сопоставим некоторое уникальное число (можно ограничить k \leqslant |\Pi| + |Q| + |\Pi \times Q| + 1 ) – это и будет количество выступов/впадин, находящихся на одной стороне полимино.

Сначала построим набор полимино, который задаёт начальную конфигурацию:

где *i – уникальное число для каждой смежной пары полимино из начальной конфигурации. Первое полимино характеризует начальное состояние, последующие за ним кодируют входное слово, и завершающее полимино требуется для корректного замощения оставшейся части ряда.

В нем количество впадин слева равно количеству выступов справа. Такой тип полимино передает содержимое ленты МТ следующему ряду.

Теперь построим полимино для функции перехода \delta (q, c) = \langle p, d, D \rangle , где q \in Q, p \in Q, c \in \Pi, d \in \Pi, D\in \{\leftarrow, \downarrow, \rightarrow \} :

На рисунке изображены (снизу вверх) полимино соответствующие значениям D = \{\leftarrow, \downarrow, \rightarrow \} . Вместе со следующим типом они эмулируют перемещение головки МТ.

Эти полимино получают на вход символ алфавита c от предыдущего ряда и состояние p от соседнего полимино, а затем передает следующему ряду пару из состояния и символа.

Построим последний тип полимино, характеризующих состояния \#_Y и \#_N :

Такое полимино имеет уникальное число выступов справа. Ни одно другое полимино из полученного набора не сможет к нему присоединиться, и процесс дальнейшего замощения будет невозможен.

Полученный алгоритм сведения получает на вход МТ и слово, а на выход выдает соответствующий им набор полимино.

Таким образом, четверть плоскости можно замостить тогда и только тогда, когда закодированная МТ не останавливается на данном входе. Иными словами, есть бесконечное количество конфигураций, не переходящих в конечное состояние. Это значит, что мы сможем замощать плоскость ряд за рядом бесконечное количество раз, что в результате замостит плоскость.

Если же МТ остановится, то и замостить четверть плоскости мы не сможем из-за того, что конечное полимино не имеет продолжения. Значит задача о замощении полимино не разрешима.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 28».

Замощение плоскости в пространстве .

Научно-исследовательский реферат

Математика

ученицы 10 класса

Комарчевой Анны

Руководитель:

учитель математики Овсянкина О.А.

г. Мытищи

Введение…………………………………………………………………………3

Определение замощения плоскости……………………………………………..4

История появления замощения………………………………………………..5

Паркеты………………………………………………………………………......7

Непериодическое замощение Х. Фодерберга………………………………...10

Простейшее замощение……………………………………………………….11

Мозаика Роджера Пенроуза…………………………………………………..12

Свойства мозаики Пенроуза…………………………………………………..13

Сенсационное открытие……………………………………………………….14

Квазикристаллы……………………………………………………………….17

Структура квазикристаллов…………………………………………………….19

Свойства квазикристаллов…………………………………………………….21

Фуллерены и квазикристаллы………………………………………………...24

Морис Эшер…………………………………………………………………....26

Средневековые орнаменты……………………………………………………28

Структура гирихов……………………………………………………………..31

Заключение……………………………………………………………………..34

Введение

Актуальность реферата заключается в том, что замощение плоскости активно изучается в физике кристаллов, геометрии, а также встречается в повседневной жизни.

Еще древние художники создавали удивительные геометрические орнаменты. Для создания своих узоров они применяли не простые, случайно придуманные контуры, а фигуры, которые были расположены в определённом порядке. А самое удивительное, что люди снова встретились с ними позже. Древние узоры – не что иное, как то, что спустя столетия назовут решётками Пенроуза и найдут в структуре квазикристаллов!

А знаменитый голландский художник Морис Эшер (1898-1972), создавший знаменитые гравюры и мозаики, и никогда не понимавший математику, утверждал: «Все мои произведения - это игры. Серьезные игры». Однако в этих играх математики всего мира вот уже несколько десятилетий рассматривают абсолютно серьёзные, материальные доказательства идей, созданных с помощью исключительно математического аппарата.

Самое серьезное внимание проблеме замощения плоскости в пространстве стали уделять в последние пятьдесят лет, после открытий в физике кристаллов - твердых металлических сплавов. В кристаллографии поворотная симметрия 5-го порядка наиболее эффективно представлена в мире растений и в простейших живых организмах, в частности в некоторых разновидностях вирусов, в некоторых обитателях морей.

Определение замощения плоскости

Замощение - это покрытие всей плоскости неперекрывающимися фигурами.

Замощение - разбиение плоскости или пространства на фигуры без общих внутренних точек или покрытие всей плоскости неперекрывающимися фигурами.

Замощение плоскости можно представить в виде набора склеенных по границам фигур. Один из простейших примеров - так называемое гексагональное замощение, когда плоскость, как соты, составлена из шестиугольников, соединенных по сторонам. Замощение называется периодическим, если при сдвиге на некоторый вектор оно переходит в себя. В гексагональном случае это, например, вектор, соединяющий центры соседних шестиугольных ячеек.

История появления замощения

Вероятно, впервые интерес к замощению возник в связи с построением мозаик, орнаментов и других узоров. Известно много орнаментов, составленных из повторяющихся мотивов.

Уже пифагорейцам было известно, что имеется только три вида правильных многоугольников, которыми можно полностью замостить плоскость без пробелов и перекрытий, - треугольник, квадрат и шестиугольник.

Математическая проблема непериодичного замощения плоскости существует уже около полувека. Самое известное решение этой проблемы - мозаика Пенроуза , которая появилась в семидесятых годах прошлого века, и в которой используется всего две различные фигуры.

А первый набор плиток, состоящий из 20 426 фигур, представил в 1966 году математик Роберт Бергер. Через некоторое время он, впрочем, сумел сократить число необходимых плиток до 104.

Автору рассматриваемой работы для решения задачи хватило одной фигуры - правильного шестиугольника. При укладке таких плиток черные линии не должны прерываться, а флажки в вершинах шестиугольников, которые находятся на расстоянии, равном длине одной стороны плитки (на рисунке отмечены стрелками), должны смотреть в одну сторону.

Паркеты

В каждом из замощений, где используются квадрат, правильный треугольник и правильный шестиугольник любые два многоугольника имеют либо общую сторону, либо только общую вершину, либо вовсе не имеют общих точек. Замощения плоскости многоугольниками, удовлетворяющие этому требованию, называют паркетами .

Убедиться в том, что никакой другой правильный многоугольник паркета не образует, совсем просто. И здесь нам понадобится формула суммы углов многоугольника.

Если паркет составлен из n -угольников, то в каждой верши­не паркета будет сходиться k = 360°/ a n многоугольников, где n - угол правильного n -угольника. Легко найти, что a 3 = 60°, a 4 = 90°, a 5 = 108°, a 6 = 120° и 120° a n п > 7. Поэтому 360° делится нацело на a n только при п = 3; 4; 6.

Паркеты из правильных многоугольников сами правильные в том смысле, что они «одинаково устроены» относительно всех своих вершин и всех составляющих паркеты кусочков-многоугольников. (Эти кусочки называются гранями замощения или просто плитками.) Другими словами, для любых двух вершин правильного паркета можно указать такое его самосовмещение, при котором одна из вершин попадает на другую. То же верно для любых двух плиток паркета.

Можно потребовать, чтобы паркет был правильным только «по вершинам», но разрешить использовать разные виды правильных многоугольников. Тогда к трём исходным паркетам добавятся ещё восемь.

Простейшее замощение

Одно из простейших замощений можно описать так. Плоскость покрыта параллелограммами, причем все параллелограммы одинаковы. Любой параллелограмм этого замощения можно получить из первоначального параллелограмма, сдвигая его на вектор nU ± mV (векторы U и V определяются ребрами выделенного параллелограмма, n и m - целые числа). Следует отметить, что все замощение как целое переходит в себя при сдвиге на вектор U (или V). Это свойство можно взять в качестве определения: именно, периодическим замощением с периодами U и V назовем такое замощение, которое переходит в себя при сдвиге на вектор U и на вектор V.

Мозаика Роджера Пенроуза

Долгое время предполагали, что не существует плиток и даже наборов из нескольких различных плиток, копии которых могли бы устилать плоскость только непериодически. Однако в середине 60-х гг. XX века эта гипотеза была опровергнута, для чего понадобился набор из более чем 20 000 разных видов плиток. Шаг за шагом число плиток удавалось уменьшить, и, наконец, через десять лет английскому математику Роджеру Пенроузу удалось обойтись всего двумя очень простыми фигурками.

Английский математик Роджер Пенроуз придумал в 1973 году такую штуку – особенную мозаику из геометрических фигур. Называться она стала, соответственно, мозаикой Пенроуза. Чего же в ней такого специфического? Мозаика Пенроуза представляет собой узор, собранный из многоугольных плиток двух определённых форм (немного различающихся ромбов). Ими можно замостить бесконечную плоскость без пробелов.

Получающееся изображение выглядит так, будто является неким "ритмическим" орнаментом – картинкой, обладающей трансляционной симметрией. Такой тип симметрии означает, что в узоре можно выбрать определённый кусочек, который можно "копировать" на плоскости, а затем совмещать эти "дубликаты" друг с другом параллельным переносом (проще говоря, без поворота и без увеличения).

Однако, если присмотреться, можно увидеть, что в узоре Пенроуза нет таких повторяющихся структур – он апериодичен. Но дело отнюдь не в оптическом обмане, а в том, что мозаика не хаотична: она обладает вращательной симметрией пятого порядка. Это значит, что изображение можно поворачивать на минимальный угол, равный 360 / n градусам, где n –порядок симметрии, в данном случае n = 5. Следовательно, угол поворота, который ничего не меняет, должен быть кратен 360 / 5 = 72 градусам.

Мозаика Пенроуза обладает свойствами:

1. Отношение числа тонких ромбов к числу толстых оказывается всегда равно так называемому "золотому" числу 1,618...

2.Она не переходит в себя ни при каких сдвигах, т.е. не периодична

3.Обладает вращательной симметрией пятого порядка. Угол поворота кратен 360° / 5 = 72. Получившиеся узоры имеют квазикристалическую форму, которая имеет осевую симметрию 5-го порядка. Структура мозаики связна с последовательностью Фибоначчи .

Сенсационное открытие

Примерно десятилетие выдумка Роджера Пенроуза считалась не более чем милой математической абстракцией.

Позже учёные США и Израиля - Д. Шехтман, И. Блех, Д. Гратиас и Дж. Кан - сделали сенсационное открытие, обнаружив непериодическую структуру быстро охлаждённого сплава марганца и алюминия. Ранее считалось, что кристаллы имеют осевую симметрию лишь 1-го, 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядка. Иными словами, кристаллы, имеющие осевую симметрию 5-го порядка, находятся в состоянии плавного перехода между аморфными телами и периодическими кристаллами.

Предыдущие представления, существовавшие в физике твёрдого тела, исключали такую возможность: структура дифракционной картины обладает симметрией пятого порядка.

Её части нельзя совмещать параллельным переносом, а значит, это вовсе никакой не кристалл. Но дифракция характерна как раз для кристаллической решётки!

Как тут быть? Вопрос непростой, поэтому учёные договорились о том, что данный вариант будет назваться квазикристаллами – чем-то вроде особого состояния вещества. Таким образом, математический курьез стал моделью, описывающей внутреннее строение квазикристаллов.

Ну а вся красота открытия, в том, что для него уже давно готова математическая модель. Мозаика Пенроуза - великолепный пример того, как красивое построение, находящееся на стыке различных дисциплин, обязательно находит себе применение. Если узловые точки заменить атомами, мозаика Пенроуза станет хорошим аналогом двухмерного квазикристалла, так как имеет много свойств, характерных для такого
состояния вещества. И вот почему:

Во-первых, построение мозаики реализуется по определенному алгоритму, вследствие чего она оказывается не случайной, а упорядоченной структурой. Любая ее конечная часть встречается во всей мозаике бесчисленное множество раз.

Во-вторых, в мозаике можно выделить много правильных десятиугольников, имеющих совершенно одинаковые ориентации. Они создают дальний ориентационный порядок, названный квазипериодическим. Это означает, что между удаленными структурами мозаики существует взаимодействие, которое согласовывает расположение и относительную ориентацию ромбов вполне определенным, хотя и неоднозначным.
В-третьих, если последовательно закрасить все ромбы со сторонами, параллельными какому-либо выбранному направлению, то они образуют серию ломаных линий.

Вдоль этих ломаных линий можно провести прямые параллельные линии, отстоящие друг от друга приблизительно на одинаковом расстоянии. Благодаря этому свойству можно говорить о некоторой трансляционной симметрии в мозаике Пенроуза.

В-четвертых, последовательно закрашенные ромбы образуют пять семейств подобных параллельных линий, пересекающихся под углами, кратными 72°. Направления этих ломаных линий соответствуют направлениям сторон правильного пятиугольника. Поэтому мозаика Пенроуза имеет в какой-то степени поворотную симметрию 5-го порядка и в этом смысле подобна квазикристаллу.

Квазикристаллы

С давних пор, когда только зарождалась наука о твердых телах, было замечено, что все тела в природе можно разделить на два диаметрально противоположных класса: разупорядоченные аморфные тела, в которых полностью отсутствует закономерность во взаимном расположении атомов, и кристаллические тела, характеризующиеся их упорядоченным расположением. Такое разделение структуры твердых тел просуществовало почти до конца ХХ века, когда были открыты не совсем "правильные" кристаллические тела - квазикристаллы. Их стали рассматривать как промежуточные формы между аморфными и кристаллическими телами.

Квази (лат. quasi - как будто, будто бы) - приставка при различных словах, соответствующая по значению словам "мнимый", "ненастоящий", "якобы".

В 1984 году был обнаружен сплав алюминия с марганцем Al0,86Mn0,14 , образец которого, подвергнутый специальному методу быстрого охлаждения, рассеивал пучок электронов так, что на фотопластинке образовывалась ярко выраженная дифракционная картина с симметрией пятого порядка в расположении дифракционных максимумов (симметрия икосаэдра). Наличие резких дифракционных максимумов свидетельствовало о присутствии в структуре дальнего порядка в расположении атомов, характерного для кристаллов, поскольку это означает, что атомы в разных участках образца одинаково отражают пучок электронов. Однако симметрия наблюдавшейся дифракционной картины противоречила фундаментальным представлениям классической кристаллографии: такая симметрия физически невозможна для любых кристаллических веществ.

Дальнейшие исследования показали, что в новом материале реализуется новый тип порядка, некристаллический и неаморфный (для аморфного вещества характерно наличие ближнего атомного порядка - кристаллического порядка только в пределах нескольких межатомных расстояний). Поэтому данное вещество было названо квазикристаллом.

Некоторое время спустя были найдены другие металлические сплавы с дальним порядком, но имеющие оси симметрии седьмого, восьмого, десятого, двенадцатого и т.д. порядков, запрещенные для кристаллов. В связи с этим расширилось и понятие квазикристаллов: в настоящее время под квазикристаллами принято понимать твердые металлические сплавы с дальним порядком, дифракционные пики которых расположены с некристаллографической симметрией.

Структура квазикристаллов

Важную проблему физики квазикристаллов представляет их атомная структура. Их структуру можно понять с помощью математической теории замощения. Обычный кристалл представляет собой периодическую структуру из атомов или молекул. Любой кристаллической структуре присуща определенная симметрия. Кристаллы обладают дальним порядком двух типов, ориентационным и трансляционным. Трансляционный порядок означает возможность построить кристаллическую структуру путем трансляций элементарного строительного блока структуры с определенным расположением атомов на некоторый вектор элементарной ячейки кристалла. В таком случае говорят о существовании дальнего порядка в кристалле. Ориентационный порядок означает, что поворот кристалла вокруг определенной оси совмещает атомные позиции с самими собой. Кристаллы могут иметь вращательную симметрию третьего, четвертого или шестого порядка.

Например, если кристалл имеет ось симметрии третьего порядка, то его кристаллическая решетка не изменится после поворота на одну треть окружности. Структура элементарной ячейки большинства кристаллов основана на таких простых геометрических телах, как куб, тетраэдр и октаэдр. Структура квазикристаллов, таких, как сплав алюминия с марганцем, основана на другом геометрическом теле - икосаэдре. Икосаэдр - это многогранник, имеющий 20 граней, каждая из которых представляет собой равносторонний треугольник, 12 вершин и 30 ребер. Икосаэдр имеет симметрию пятого порядка: в каждой его вершине соединены пять граней. Икосаэдры невозможно упаковать так, чтобы они плотно, без зазоров, заполняли все пространство, поэтому они не могут служить элементарными ячейками кристаллов.

Элементы структуры квазикристалла из пяти тетраэдров: фрагмент икосаэдра (а), 32 - вершинник триаконтаэдр (6)

Икосаэдр (от греч. εικοσάς - двадцать; -εδρον - грань, лицо, основание) - правильный выпуклый многогранник, двадцатигранник, одно из Платоновых тел . Каждая из 20 граней представляет собой равносторонний треугольник . Число ребер равно 30, число вершин - 12.

Тетраэдр (греч. τετραεδρον - четырёхгранник) - многогранник с четырьмя треугольными гранями, в каждой из вершин которого сходятся по 3 грани.

Триаконтаэдр - (греч., от triaconta тридцать, и hedra основание). Тридцатигранник, т. е. тело, ограниченное 30-ю равными ромбическими плоскостями.

Свойства квазикристаллов

Квазикристаллы, как правило, сплавы металлических элементов. Но физические свойства квазикристаллов отличаются от свойств других металлических систем. Электросопротивление металлов увеличивается при возрастании температуры, концентрации примесей, структурных дефектов. Квазикристаллы не изоляторы и не полупроводники, но в отличие от металлов их электросопротивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом температуры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов (длительный нагрев, устраняющий дефекты). Интересная закономерность наблюдается у декагональных квазикристаллов. Это слоистые объекты: квазикристаллические плоскости упакованы вдоль оси десятого порядка с конечным периодом. Вдоль оси упаковки проводимость ведет себя как в нормальном металле, а в квазикристаллических плоскостях – по-другому.

Практически все квазикристаллические сплавы - диамагнетики. Исключение составляют сплавы с марганцем, являющиеся парамагнетиками.

Теория твердого тела прекрасно объясняет электронные свойства нормальных металлов и их сплавов. Отправным пунктом является периодичность кристаллической структуры. Однако теория еще не в состоянии объяснить, почему квазипериодичность является источником специфичного поведения свойств. Для ответа на этот вопрос необходима большая экспериментальная и теоретическая информация об электронном строении (электронном спектре) квазикристаллов.

В настоящее время открыто более 200 квазикристаллических сплавов, свойства которых активно исследуются. Каждый год появляются сообщения и о новых по составу квазикристаллах, и о новых вариантах структур, существование которых ранее нельзя было даже предположить.

На данный момент в большинстве синтезированных квазикристаллов обнаружены оси симметрии 5-го, 7-го, 8-го, 10-го, 12-го и еще более высоких порядков, запрещенные для идеальных кристаллов. Эти объекты пока не нашли практического применения, но их изучение расширяет наши представления о строении вещества. Вопрос о квазикристаллическом состоянии не ограничивается физикой твердого тела. Симметрийные свойства квазикристаллов обладают универсальностью. Это означает, что если какой-либо способ упаковки ячеек некоторой формы найден в твердом теле, то такой же способ упаковки "жидких ячеек"" может быть обнаружен в гидродинамических течениях, проблеме хаоса (в структуре фазовой плоскости динамической системы) и др. Поэтому в исследование квазикристаллов вовлечены физики, математики, кристаллографы и материаловеды. Однако вопрос о природе квазикристаллического состояния материи и объяснении свойств квазикристаллов все еще остается загадкой, которую преподнесла нам Природа.

Приведем интересный факт, замеченный исследователями. Строжайше запрещенная в кристаллографии поворотная симметрия 5-го порядка наиболее эффективно представлена в мире растений и в простейших живых организмах, в частности в некоторых разновидностях вирусов, в некоторых обитателях морей (морские звезды, морские ежи, колонии зеленых водорослей и др.) и в иных объектах, "строящих жизнь". Поворотная симметрия 5-го порядка характерна для многих полевых цветов (зверобой, незабудка, колокольчик и др.), для цветов плодово-ягодных растений (малина, калина, рябина, шиповник и др.), для цветов плодовых деревьев (вишня, груша, яблоня, мандарин и др.). Чешуйки у еловой шишки, зерна у подсолнуха или ячейки у ананаса также образуют некоторое квазирегулярное покрытие поверхности, в котором соседние ячейки организуются в хорошо различимые спирали и образуют структуру, близкую к квазикристаллам.

Как видим, поворотная симметрия 5-го порядка, играющая важную роль в квазикристаллах, наиболее ярко проявляется как бы в переходной области между статично неживым и податливо гибким живым миром природы. Изучение квазикристаллических объектов привело к целому ряду открытий и прикладных разработок. Структурное совершенство термодинамически стабильных квазикристаллов ставит их в один ряд с лучшими образцами обычных кристаллов. На их основе получают легкие и очень прочные стекла. Тонкие пленки и покрытия из квазикристаллов обладают очень низким коэффициентом трения. С использованием квазикристаллов создают композиционные материалы, например устойчивые к трению резины. Особо заманчивы их малая электро- и теплопроводность, высокая твердость, стойкость к коррозии и окислению, химическая инертность и нетоксичность. Сегодня уже получено немало перспективных квазикристаллов, о которых несколько десятилетий назад даже не мечтали. Одной из приоритетных задач является разработка методов синтеза по заданным параметрам, которая позволила бы заранее «программировать» физические свойства создаваемых материалов.

Неожиданное появление золотой пропорции в структуре квазикристаллов говорит о присутствии в их симметрии живого "мотива", так как в отличие от неживых кристаллов только живой мир допускает замечательные соотношения золотой пропорции. В природе квазикристаллов многое до сих пор не ясно. Кроме того, нет окончательно сформированных физических представлений об особенностях их строения, не получено физическое обоснование их прочностных, пластических, упругих, электрических, магнитных и других свойств. Несмотря на эти трудности, повышенный интерес ученых к загадке, которую им преподнесла природа в виде квазикристаллов, не ослабевает, и в дальнейшем, несомненно, еще не раз будут получены неожиданные результаты.

Фуллерены и квазикристаллы

Непосредственное отношение к строению квазикристаллов имеют и открытые в середине 1980-х годов так называемые фуллерены - неизвестная ранее форма объединения атомов углерода в практически сферические молекулы С n (n = 28, 54, 60, 70, 84, 120 …).Фуллерены - класс углеродных молекул, содержащих более 20 атомов. Их открытие усугубило «кристаллографическую катастрофу", вызванную открытием квазикристаллов. Наиболее изученный углеродный нанообъект - фуллерен С 60 . До этого считалось, что в свободном состоянии углерод может находиться в виде двух модификаций - алмаза и графита. Структура же молекулы С 60 представляет нечто иное. Это усеченный по вершинам икосаэдр, то есть один из 14 неправильных (или полуправильных) многогранников Архимеда, в котором шестиугольники связаны между собой пятиугольниками. Не вдаваясь в детальное рассмотрение этой фигуры, отметим, что подобная структура напоминает футбольный мяч, сшитый по традиции из черных пятиугольников и белых шестиугольников. Неудивительно, что такая молекула обладает икосаэдрической симметрией. Знакомство с фуллерена ми захватывает сразу, поражает их красота и соразмерность. Фуллерены, как и квазикристаллы, говорят об удивительной гармонии мира, о непрерывном единстве во всех его проявлениях. Интерес к фуллеренам возник, прежде всего, из-за их своеобразной структуры и симметрии, а также из-за возможности создавать на их основе материалы, находящие применение во множестве высоких технологий. В первую очередь они рассматриваются как перспективные материалы для электронной техники. Кроме того, на основе фуллеренов созданы сверхнизко- и сверхвысокотемпературные смазочные материалы и соединения, обладающие сверхпроводимостью, получены вещества, по твердости превосходящие алмаз (см. "Наука и жизнь" № 10, 1995 г.).

Название "фуллерены" дано новому классу модификаций углерода в честь американского архитектора Бакминстра Фуллера, разработавшего конструкцию сферических куполов. Одно из таких зданий было построено на международной выставке ЕХРО-67 в Монреале. Основной мотив постройки - повторяющиеся шестиугольные фрагменты, между которыми в определенных местах введены пятиугольные, придающие необходимую
кривизну объемной конструкции.

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита , получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером , Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

Морис Эшер

Исследуем более подробно работы Мориса Эшера на предмет описанных выше математических закономерностей. Эшер интересовался всеми видами мозаик - регулярными и нерегулярными (периодическими и квазипериодическими) - а также ввел собственный вид, который назвал «метаморфозами», где фигуры изменяются и взаимодействуют друг с другом, а иногда изменяют и саму плоскость. Этот вид мозаик был описан в предыдущей главе. Интересоваться мозаиками Эшер начал в 1936 году во время путешествия по Испании. Он провел много времени в Альгамбре, зарисовывая арабские мозаики, и впоследствии сказал, что это было для него «богатейшим источником вдохновения». Позже в своем эссе о мозаиках Эшер написал:

«В математических работах регулярное разбиение плоскости рассматривается теоретически…. Значит ли это, что данный вопрос является сугубо математическим? Математики открыли дверь, ведущую в другой мир, но сами войти в этот мир не решились. Их больше интересует путь, на котором стоит дверь, чем сад, лежащий за ней».

После того, как мы разобрались в способах создания периодических и квазипериодических замощений мы можем предположить, каким образом Морис Эшер создавал свои мозаики. При подробном рассмотрении и изучении мозаик Эшера можно предположить, что художник пользовался следующим очень интересным, но в, то, же время простым способом. Намечал правильный шестиугольник (известно, что эту фигуру можно использовать при создании периодической мозаики). После этого он искривлял три смежные стороны шестиугольника, придавая им необходимый контур и, с помощью параллельного переноса, отображал эти стороны на противолежащие.

Таким образом, мастер добивался того, что мозаику всё ещё можно было составить из полученной фигуры. После этого он изменял фигуру изнутри. Художник разбивал на шесть равных треугольников. В каждом треугольнике были изменены боковые ребра таким образом, что в сочетании с измененной стороной шестиугольника (основанием треугольника), они образовывали контур необходимого животного. В нашем случае получились «рыбки». Применив способ, описанный выше, он получал готовое к печати изображение. В доказательство справедливости вышеописанного способа можно привести нечеткие линии предварительной разметки, сохранившиеся на некоторых отпечатках гравюр мастера. Эти линии в точности повторяют рисунок, который должен получиться при выполнении первых этапов предполагаемого нами способа.

Руководствуясь вышеизложенными соображениями, можно разделить весь массив «мозаичных» работ на два фундаментальных класса. Первый - периодические работы и второй - квазипериодические.

Сам Морис Эшер , как многие гении и до и после него, утверждал: «Все мои произведения - это игры. Серьезные игры». Однако в этих играх математики всего мира вот уже несколько десятилетий рассматривают абсолютно серьёзные, материальные доказательства идей, созданных с помощью исключительно математического аппарата. Периодические замощения могут быть и весьма замысловатыми, некоторые из них очень красивы. Примером может служить периодическое замощение, придуманное Морисом Эшером («Всадники»).

Средневековые орнаменты

В 2007 году Питер Лу, физик из Гарварда, вместе с другим физиком - Полом Стейнхардтом, но из Принстона, - опубликовал в Science статью, посвящённую мозаикам Пенроуза. Казалось бы, неожиданного тут немного: открытие квазикристаллов привлекло живой интерес к данной теме, что привело к появлению кучи публикаций в научной прессе. Однако изюминка работы в том, что она посвящена далеко не современной науке. Да и вообще - не науке. Лу обратил внимание на узоры, покрывающие мечети в Азии, построенные ещё в Средневековье. Эти легко узнаваемые рисунки сделаны из мозаичной плитки. Они называются гирихи. Гирих - геометрический орнамент в виде комбинации полигональных и звездчатых фигур, характерный для средневекового искусства Средней и Центральной Азии. Гирих – в переводе с персидского узел, сложный геометрический узор, построенный линиями в различные геометрические фигуры (звезды, прямоугольники, ромбы и др.).

Долгое время считалось, что эти узоры создавались с помощью линейки и циркуля. Однако пару лет назад, находясь во время путешествия в Узбекистане, Лу заинтересовался узорами мозаик, украшавшими местную средневековую архитектуру, и приметил в них что-то знакомое. Вернувшись в Гарвард, учёный стал рассматривать аналогичные мотивы в мозаиках на стенах средневековых построек Афганистана, Ирана, Ирака и Турции.

Этот образец датирован более поздним периодом – 1622 год (индийская мечеть). Глядя на него и прорисовку его структуры, нельзя не восхититься трудолюбию исследователей. И, конечно же, самих мастеров.

Питер Лу обнаружил, что эти схемы практически одинаковы, и смог выделить основные элементы гирихов, использовавшихся во всех геометрических орнаментах. Кроме того, он нашёл чертежи этих изображений в старинных манускриптах, которыми древние художники пользовались в качестве своеобразной шпаргалки по украшению стен.

Но это всё, оказывается, не так уж важно. Для создания этих узоров применяли не простые, случайно придуманные контуры, а фигуры, которые были расположены в определённом порядке. И это не особенно удивительно. А действительно интересно то, что, забыв про подобные схемы, люди снова встретились с ними позже.

Да-да, древние узоры – не что иное, как то, что спустя столетия назовут решётками Пенроуза и найдут в структуре квазикристаллов!

Правда, доктор Эмиль Маковицкий из Копенгагенского университета посчитал своим долгом пожурить исследователей за то, что они недостаточно уделили внимания его статье 1991 года, в которой он исследовал узор на одной иранской гробнице XII века. Вскоре к этой критике присоединилась ещё пара учёных - из Technion и из университета Дюка, сказав, правда, что работа Стейнхардта и Лу представляет собой "интересную гипотезу".

Пол Стейнхардт честно парировал замечание, сказав, что он с коллегой работал не над одним образцом, а над большим количеством разнообразного материала. К счастью, до академической ссоры дело не дошло, а исследование получило хоть какое-то признание в научном мире.

И всё же самый таинственный вопрос – о том, как средневековые арабы могли додуматься до квазикристаллических структур, которые известны нам менее трёх десятилетий, - так и остаётся без ответа.

Может ли это быть доказательством огромной роли математики в средневековом исламском искусстве, или это просто был наиболее простой способ «сборки» авторами своих произведений – сейчас узнать уже невозможно.

«Мы не можем с уверенностью сказать, что означает всё это искусство, - признался Питер Лу. - Однако кажется невероятным, что выбор такой тактики – дело простой случайности». В любом случае это открытие может быть свидетельством того, что искусство, которому не придают большого значения, оказалось куда более «продвинутым», чем мы могли предположить.

Заключение

Замощение – самая изучаемая область в физике квазикристаллов. Практически все известные на данный момент квазикристаллы - это металлические сплавы, но их свойства сильно отличаются от свойств исходных металлов. Отметим, например, необычайно высокое электрическое сопротивление при низких температурах и его падение при повышении температуры. «Традиционные» металлы ведут себя прямо противоположным образом. Эпоха массового использования квазикристаллов, очевидно, впереди, не некоторые контуры уже можно обозначить. Возможно их применение в подшипниках скольжения - при низком коэффициенте трения квазикристаллические сплавы обладают высоким запасом прочности. Заманчиво выглядит высокопрочное антипригарное покрытие, высокотемпературные сверхпроводники, высокопрочные материалы, сверхтонкие покрытия, сверхмелкодисперсные порошки и абразивы на квазикристаллической основе. Многие свойства этого класса веществ еще предстоит изучить. Одной из приоритетных задач является разработка методов синтеза по заданным параметрам, которая позволила бы заранее «программировать» физические свойства создаваемых материалов. Открытие квазикристаллов пошатнуло устои кристаллографии, многие положения которой за последнюю четверть века пришлось пересмотреть. В обобщенном представлении о кристалле на замену понятию «элементарной ячейки» - условной наименьшей структурной единицы кристалла - пришло понятие «дальнего порядка».Физики сравнивают значимость открытия квазикристаллов для кристаллографии с открытием иррациональных чисел в математике. В настоящее время не без помощи замощения было открыто более 200 квазикристаллических сплавов, свойства которых активно исследуются.

Эти объекты пока не нашли практического применения, но их изучение расширяет наши представления о строении вещества.

Вопрос о квазикристаллическом состоянии не ограничивается физикой твердого тела. Симметрийные свойства квазикристаллов обладают универсальностью. Это означает, что если какой-либо способ упаковки ячеек некоторой формы найден в твердом теле, то такой же способ упаковки "жидких ячеек"" может быть обнаружен в гидродинамических течениях, проблеме хаоса (в структуре фазовой плоскости динамической системы) и др. Поэтому в исследование квазикристаллов вовлечены физики, математики, кристаллографы и материаловеды. Однако вопрос о природе квазикристаллического состояния материи и объяснении свойств квазикристаллов все еще остается загадкой. Квазикристаллы разрушили традиционное представление о непреодолимом водоразделе между миром минералов, в котором «пентагональная» симметрия была запрещена, и миром живой природы, где «пентагональная» симметрия является одной из наиболее распространенных. И не следует забывать, что главной пропорцией икосаэдра является «золотая пропорция». И открытие квазикристаллов является еще одним научным подтверждением, что, возможно, именно «золотая пропорция», проявляющая себя как в мире живой природы, так и в мире минералов, является главной пропорцией.