致知录
第 XXXIV 卷 · 第 258 篇 · Concept Fables · 1970.01.01

无法拼合的第五转

概念寓言 · 1970.01.01 · 1 分钟阅读 · 340 字
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为什么有些旋转对称在重复图案里根本不允许出现

一座王国的地砖全都由同一副模具切出,无论你站在哪里,把视线转过某个特定的角度,看到的图案都一模一样。工匠发现只允许少数几个旋转角度:六分之一、四分之一、三分之一或半圈时图案重合,但绝不能是五分之一圈。强行用五分之一转去拼,总会留下任何形状都填不满的缝隙。

揭示

这则故事想说的概念是:晶体对称性(Crystal Symmetry)。

英文定义(Crystal Symmetry):Crystal symmetry is the set of spatial operations (rotations, reflections, translations) under which a crystal lattice maps onto itself; only certain rotational symmetries (2-, 3-, 4-, 6-fold) are compatible with a periodic lattice.

它属于哪个领域:凝聚态物理 / 材料科学(Condensed Matter Physics / Materials Science)

凝聚态物理研究大量原子如何有序聚集,材料科学据此设计金属、半导体与陶瓷的性能。对称性决定了晶体许多物理性质的规律。

故事里的隐喻对应什么

  • 地板上重复出现的花纹 → 晶体中原子排列的点阵周期性
  • 只允许某些旋转角度才重合 → 晶体学限制定理只允许多重数为 2/3/4/6 的旋转轴
  • 强行拼第五转留下的缝隙 → 五次对称无法铺满平面(准晶是后来的例外)