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爱因斯坦问题(非周期单砖)

已解决,2023年几何学
问题陈述

是否存在单一的连通闭拓扑圆盘 T⊂R2T \subset \mathbb{R}^2(称为“爱因斯坦砖”,源自德语 ein Stein,意为“一块石头”),使得 TT 的全等副本可以无重叠、无空隙地铺满整个欧几里得平面 R2\mathbb{R}^2,但所有这样的铺砌都是非周期的(在任何非零平移下都不保持不变)?

由大卫·史密斯、约瑟夫·塞缪尔·迈尔斯、克雷格·S·卡普兰和哈伊姆·古德曼-施特劳斯于2023年解决。2023年3月,他们公布了由拉夫斯 [3.4.6.4][3.4.6.4] 镶嵌中的八个筝形拼成的13边形多鸢形砖——“帽子”(hat),并通过层级替换元砖(metatiles)及计算机辅助的局部构型穷举分析,证明了它只能以非周期方式铺满平面 R2\mathbb{R}^2(需同时使用未翻转和镜像翻转的副本)。两个月后的2023年5月,同一批作者又提出了“幽灵”(Spectre)砖,这是一种带有微弯或齿状边缘的14边形严格手性非周期单砖:即使规则允许反射,幽灵砖也仅能通过纯平移和旋转进行非周期铺砌。

“帽子”砖属于一个由边长 aa 和 bb 决定的单参数连续14边形(退化情形为13边形)族 Tile⁡(a,b)\operatorname{Tile}(a,b):对于几乎所有比例 a:ba:b(除 a=0a=0、b=0b=0 和 a=ba=b 外),该砖都是非周期的,并生成拓扑等价的铺砌。在等边参数 Tile⁡(1,1)\operatorname{Tile}(1,1) 处,若允许反射则该多边形可周期铺砌;但将其各边作相同的弯曲或折线修饰后便得到“幽灵”(Spectre)族,从而解决了更严格的手性爱因斯坦问题。在高维空间中,约翰·霍顿·康威、查尔斯·拉丁和洛伦佐·萨邓等人此前已在 R3\mathbb{R}^3 中发现了非周期单砖(如施密特-康威-丹泽双棱柱),而平面 R2\mathbb{R}^2 中多边形爱因斯坦砖所需的最少顶点数仍是未决问题。

参考文献

  1. David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, Chaim Goodman-Strauss (2024). An aperiodic monotile · DOI:10.5070/C64163843 · arXiv:2303.10798v2
  2. David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, Chaim Goodman-Strauss (2024). A chiral aperiodic monotile · DOI:10.5070/C64264241 · arXiv:2305.17743v1
  3. Branko Grünbaum, G. C. Shephard (1987). Tilings and Patterns