Пол Стейнхардт - Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

В статье Гарднера описывалось множество открытых Пенроузом удивительных особенностей его оригинальных замощений, а также их дополнительные свойства, открытые позднее его другом, математиком Джоном Конвеем из Кембриджского университета.

Конвею принадлежит бессчетное множество результатов в теории чисел, теории групп, теории узлов, теории игр и других фундаментальных областях математики. Например, именно он изобрел игру “Жизнь” – знаменитую математическую модель (так называемый клеточный автомат), где реализуются некоторые аспекты самовоспроизводящихся машин и биологической эволюции.

Когда Пенроуз познакомил Конвея с новыми замощениями, тот пришел в абсолютный восторг. Он немедленно начал вырезать фигуры из бумаги и картона, складывая их и заполняя столы и все остальные поверхности своего жилища различными сочетаниями вырезанных фигур, чтобы изучить их свойства. Статья Гарднера в Scientific American включала многие из важных фактов, обнаруженных Конвеем, что помогло нам с Довом прояснить для себя некоторые на первый взгляд неочевидные свойства пенроузовских замощений.

Читая другие статьи, мы узнали, что точная форма этих плиток неважна, покуда они соединяются друг с другом способом, эквивалентным змеям и дротикам. Версия, которую нам с Довом оказалось проще анализировать, состояла из пары ромбов – широкого и узкого. Именно эти четырехугольники были использованы для создания замощения, изображенного на следующей странице.

Из одних только широких ромбов можно сложить периодический узор, равно как и из одних только узких. Также из различных комбинаций этих двух фигур можно получить другие периодические замощения.

Однако использование ромбов – это еще не все. Чтобы полностью исключить возникновение периодичности, необходимо ввести некие правила совмещения. Один из возможных подходов состоит в том, чтобы использовать ленты по аналогии с теми, что придумал Пенроуз для своих змеев и дротиков, и установить правило, гласящее, что две плитки могут соединяться, только если на ребре, по которому они граничат, состыковываются их ленты.

Другой способ воспрепятствовать появлению обычного периодического рисунка состоит в замене прямых краев плиток кривыми или имеющими специальные выступы, подобно деталям пазла, – это отлично иллюстрирует замечательный пример паркета из индивидуальных деталей, изображенный справа. В смысле взаимного расположения плиток этот деревянный паркет эквивалентен замощению из серых и белых ромбов. Единственное отличие состоит в том, что на деревянные плитки добавлены замки́. Они позволяют деталям соединяться друг с другом, как в пазле, и исключают возможность выложить ими какой-либо периодический узор.

Если вы впервые видите замощение Пенроуза, уделите немного времени его изучению и оцените свое первое впечатление. Как бы вы могли его охарактеризовать? Видите ли вы в нем упорядоченный или неупорядоченный узор? Если вам кажется, что плитки следуют друг за другом в упорядоченной последовательности, то как предсказать, какая плитка окажется следующей?

Глядя на замощение из широких серых и узких белых ромбов, мы с Довом заметили определенные часто повторяющиеся мотивы, такие как звездообразные кластеры из пяти серых плиток, окружающих центральную точку, – чего трудно было бы ожидать для случайного узора. Но мы также заметили, что эти кластеры не повторяются через равные интервалы, как должно быть в периодическом рисунке. И в то же время расстояния между этими повторениями не выглядели произвольными, что было бы ожидаемо при случайном узоре.

Сравнивая конфигурации плиток, которые непосредственно окружают звездообразные кластеры, мы заметили, что не у всех звезд окружение совпадает. На следующем слое окружающих плиток мы обнаружили еще больше различий. Изучив рисунок на странице 58, вы сами можете их заметить. На самом деле ни у какой пары звезд не будет в точности одинакового окружения, если смотреть достаточно далеко от их центров.

Это было важно, поскольку, как мы с Довом знали, в периодических узорах такого не бывает. Каждая плитка в замощении квадратами всегда имеет в точности такое же окружение, как и любая другая, как бы далеко от центра построения мы ни заглядывали.

Этим простым наблюдением мы подтвердили, что узор Пенроуза не может быть периодическим. И все же узор, состоящий из кластеров, которые очень похожи между собой и часто повторяются в замощении, нельзя считать и случайным. Это привело нас к вопросу: что за узор может быть одновременно и не периодическим, и не случайным?

Готового ответа не было, и это меня по-настоящему заинтриговало. Никто не видел ничего подобного узору Пенроуза до того, как он придумал его в 1974 году. Даже сам Пенроуз, похоже, не в полной мере оценил значимость собственного открытия. В своей первой статье Пенроуз описывает узор как “непериодический”, четко показывая, чем его замощение не является . Но там нет ни слова о том, каким же оно на самом деле является . А для нас с Довом это было крайне принципиально.

Когда мы только начали изучать замощение Пенроуза, мы представляли себе, что сможем сконструировать аналогичный трехмерный узор, используя пару строительных блоков. Затем, заменив строительные блоки каждый формы определенным типом атомов или кластером атомов, мы надеялись построить атомную структуру, которая реализовала бы нашу мечту о новом типе вещества.

Однако прежде всего нам следовало убедиться в том, что новая атомная структура действительно является новой, и выделить ее особые физические свойства, а для этого требовалось определить ее симметрии. Просто описать новое вещество как непериодическое или неслучайное было недостаточно. Поэтому следующие несколько месяцев мы полностью посвятили замощению Пенроуза, чтобы понять, сможем ли мы открыть математический секрет его симметрий.

Первое удивительное свойство замощений Пенроуза, которое установили мы с Довом, состояло в том, что в них в слабой форме проявляется вращательная симметрия пятого порядка, которая, конечно, считалась невозможной.

Чтобы увидеть в замощении Пенроуза симметрию пятого порядка, требуется некоторое усилие. Вернемся к рисунку на странице 58 с замощением, составленным из широких серых и узких белых ромбических плиток. Уделите немного времени изучению плиток, которые непосредственно окружают любой из звездчатых кластеров. Их расположение представляется весьма сложным. Мысленно поверните его на одну пятую оборота, или на 72°. Совпадет ли конфигурация с той, что была вначале?