Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."
Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 31 страниц)
До индустриальной революции получение жара высокого накала было делом трудно достижимым, и одна из прометеевых процедур заключалась в краже огня у Солнца посредством мощных линз. Новое оружие свалилось в руки встряхивателей вещества с появлением гальванического элемента и возможности использовать электрический ток. Так, Хемфри Дэви (1778-1829) подключал электроды почти ко всему, что лежало в окрестностях Королевского общества, и в течение недели в октябре 1807 г. впервые получил калий с помощью электролиза расплавленного поташа (нитрата калия), а затем натрий с помощью электролиза расплавленной соды (углекислого натрия). Джон Дэви, брат Хемфри, рассказывал, что Хемфри «безумствовал и плясал от радости» вокруг своего открытия. Всего Дэви открыл шесть новых элементов (натрий, калий, кальций, магний, стронций и барий). Волна открытий, в основном обязанная своим происхождением использованию электролиза, довела к 1818 г. число элементов до пятидесяти девяти. Шведский химик Йене Берцелиус (1779-1848) сам открыл три элемента (цезий, селен и торий) и отсоединил символические обозначения элементов от чуть-чуть алхимического и неудобного для типографий стиля Дальтона, введя более практичные буквенные обозначения, используемые нами и сегодня, такие как Ce для цезия, Se для селена и Th для тория. Дальтон был чрезвычайно рассержен этим иностранным вторжением на его территорию и получил первый из своих двух ударов во время спора с коллегой о символах.
В картинке-головоломке трудно увидеть рисунок, пока не подобрано достаточно много составляющих ее фрагментов. Первый рисунок, отображающий свойства вещества, начал проявляться в 1820 г., когда собирание фрагментов было завершено почти наполовину. Существовало два аспекта этой головоломки: во-первых, качественные свойства элементов, их подобия и различия, и во-вторых, возникающая количественная характеристика атомов элементов, их атомный вес. Иоганн Доберейнер (1780-1849) из Йены, необразованный, но наблюдательный сын кучера, достигший впоследствии звания профессора университета, заметил нечто весьма необычное, нечто приводящее в гармонию эти две составляющих загадки. Он заметил, что некоторые тройки химически подобных элементов имеют атомные веса, такие, что вес одного из этих элементов близок к среднему арифметическому двух других. Например, хлор, бром и йод химически подобны, а их атомные веса равны соответственно 35, 80 и 127 (среднее от 35 и 127 равно 81). Доберейнер обнаружил три таких тройки и этим призвал к жизни идею о том, что элементы, по каким-то причинам, образуют нечто вроде гобелена.
Охота за организующим принципом началась. У меня нет намерения в деталях описывать историю этой охоты или воздавать должное всем действующим лицам, поскольку я больше заинтересован представить здесь результаты, чем усилия, затраченные на их получение. Но двое из участников заслуживают того, чтобы пригласить их на сцену. Джон Ньюлэндс (1837-98) имел англо-итальянское происхождение, и, подобно Канниццаро был настолько охвачен националистическим энтузиазмом, что в двадцать три года отправился на Сицилию сражаться вместе с краснорубашечниками Гарибальди. Остепенившись, он вернулся в Англию и обнаружил еще одну составляющую рисунка. Он увидел, что Доберейнер заметил только разбросанные триады, в то время как существует более систематический узор, по крайней мере для более легких элементов. А именно, он обнаружил, что если выстроить легкие элементы в порядке возрастания атомного веса, то подобия их свойств повторяются через каждые восемь элементов (газообразные элементы гелий, неон и аргон были в то время неизвестны). Не слишком благоразумно, с ретроспективной точки зрения, он уподобил эту повторяемость нотам музыкального ряда и отнес ее на счет своего «закона октав». Эта фантастическая аналогия дорого ему обошлась: над ним насмехались за столь возмутительное и заведомо произвольное предложение, а кое-кто предлагал ему расположить элементы по алфавиту или использовать какой-нибудь другой замысловатый критерий.
Однако он был прав. Свойства ранних элементов действительно повторяются как ноты музыкального ряда, но отнюдь не по музыкальной причине. Как мы видели, структуры атомов у элементов действительно периодически повторяются, поскольку внутренние оболочки заполняются и схема заселения орбиталей повторяется снова. Но такое теоретическое основание находилось слишком далеко в будущем, и ничем не могло помочь в начале девятнадцатого века, когда атомы еще пребывали в концептуальном младенчестве, а электроны не были известны.
Вторым участником был, конечно, Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), согласно некоему источнику, младший среди детей одиннадцати, четырнадцати и семнадцати лет (триада чисел Доберейнера!), сын торговца лошадьми (Менделеев – мену делать – меняться) и матери, героически сделавшей все возможное для своего выдающегося и не по годам развитого меньшего сына. Ко времени, когда Менделеев сел писать свой предварительный главный труд по химии, Основы химии, число известных элементов достигло шестидесяти одного. Перед ним стояла проблема, как организовать материал, чтобы представить его читателю в логической, последовательной форме. Именно в этом пункте рождественская история, по-видимому, отклоняется от суровой правды.
Рождественская история рассказывает о том, как Менделеев трудился многие дни, а возможно, и недели, чтобы прийти наконец к некоторой логической организации. Истощенный этими усилиями, он заснул 17 февраля 1869 г. [21]21
По юлианскому календарю (или 1 марта по григорианскому).
[Закрыть]и увидел «во сне стол, на котором все элементы лежали в нужном порядке. Проснувшись, я немедленно записал их на лист бумаги» (рис. 5.9). Еще одной популярной составляющей этой истории является то, что страсть Менделеева к раскладыванию пасьянсов для коротания времени в долгих поездках привела его к мысли записать названия элементов на карточки и раскладывать пасьянсы из них. Власть этих образов и точность с которой был датирован сон оказались такими, что заставили принять все это за чистую монету. Однако все было, по-видимому, не так: свидетельства очевидцев вступают в противоречие с обеими составляющими рождественской сказки. Сновидения не было, и даже правдоподобная сказка об элементах в виде пасьянса оказывается не столько фактом, сколько украшением.
Рис. 5.9.Факсимиле страницы из Zeitschrift für Chemie( Журнал химии) 1869 г., в котором Менделеев анонсировал раннюю версию периодической таблицы.
Какой бы ни была правда, фактом является то, что Менделеев представил миру таблицу, свою периодическую таблицу, которая собрала все элементы в некое подобие генеалогического дерева. Он использовал атомные веса для упорядочения элементов и обнаружил повторяемые подобия через периоды в восемь, восемь и восемнадцать элементов. Ему пришлось перекраивать таблицу то тут, то там (обычно это описывается как химический инсайт, но на самом деле больше похоже на метод, которым пользовался Прокруст по отношению к своим жертвам, не помещавшимся на его ложе). Так, порядок элементов, основанный на атомном весе, не везде согласовывался с картиной химического подобия, поэтому Менделеев проигнорировал этот порядок и избрал свой собственный. Теперь мы знаем, что эта процедура была правильной, поскольку атомный вес не является наилучшим критерием для упорядочивания элементов: элементы лучше всего упорядочивать по их атомным номерам и, по причинам, теперь полностью понятным, атомный вес не всегда дает точно тот же порядок, что и атомный номер. Кроме того, в таблице имелись приводящие в замешательство щели. Но в этом случае замешательство пошло на пользу дела, так как Менделеев был столь уверен в своей формулировке таблицы, что смог, с помощью интерполяции свойств известных элементов, предсказать свойства еще не открытых элементов в этих щелях. Так, он предсказал существование и свойства элементов, которые он назвал эка-алюминием и эка-кремнием ( экав санскрите значит один), позднее открытых во Франции под именем галлий и в Германии под именем германий соответственно. Он также делал и ошибки, предсказывая элементы, которых в действительности не существует; но, благодаря доброй воле благодарных последователей, эти ошибки были благополучно забыты.
Сегодня мы знаем около 110 элементов, и щели в корпусе таблицы отсутствуют. Мы знаем это потому, что атомные номера последовательно и без пропусков пробегают ряд от 1 до 110. Имеются спорадические сообщения об открытии элементов до номера 114, но они появляются и исчезают, и номер 113 все еще не появился. Это бесполезный «академический» конец периодической таблицы, и тот факт, что он с краю немного потрепан, не имеет большого практического значения.
Современная форма периодической таблицы показана на рис. 5.10. Как мы можем видеть, он повернут на 90° по сравнению с картинкой Менделеева, но основные черты его схемы легко узнать. Вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды называются периодами.
Рис. 5.10.Современная форма периодической таблицы. Я показал только некоторые элементы, т.е. которые, насколько я могу судить, достаточно хорошо известны, или стоящие во главе своих групп (K это калий, Na – натрий, Fe – железо, Pb – свинец, Sn – олово: химики время от времени залезают в латынь). Пронумерованные вертикальные колонки называются группами, а горизонтальные ряды назывался периодами. Водород (несколько идиосинкразически, но, на мой взгляд, разумно) поставлен во главе всей таблицы и не приписан ни к какой группе. Светло-серым отмечены металлы, темно-серым неметаллы, а просто серым – металлоиды, элементы, по своим свойствам застрявшие между металлами и неметаллами. Двухрядный блок элементов внизу таблицы следовало бы вставить в указанное место, но это сделало бы таблицу слишком нескладной. Таблица постепенно растет, по мере того как создаются новые элементы.
Октавы Ньюлэндса еще слышны в периодах 2 и 3, а триады Доберейнера разбросаны там и тут. Вертикальные группы содержат элементы, имеющие значительные подобия, так же как и все типы соединений, которые они образуют, и демонстрируют систематические изменения от верхнего к нижнему краю. Элементы в горизонтальных периодах демонстрируют плавное изменение при перемещении слева направо. Например, металлы оказываются в левом конце периода, а неметаллы на правом. Элементы в длинной тонкой центральной секции, такие как железо (Fe) и платина (Pt), являются переходными металлами, поскольку они представляют переход между очень реактивными металлами, такими как натрий (Na) или кальций (Ca) в левой части таблицы, и много менее реактивными металлами, такими как олово (Sn) или свинец (Pb) справа. Очень тонкая секция из двадцати восьми элементов, помещенная ниже основной части, состоит из внутренних переходных металлов. Эту полосу следовало бы, на самом деле, вставить в основную таблицу, но это сделало бы таблицу слишком длинной и тонкой для того, чтобы напечатать ее приемлемым образом. Внутренние переходные металлы все очень похожи по своим химическим свойствам и находились среди элементов, выделенных и идентифицированных в самую последнюю очередь. Самая нижняя линия, следующая за ураном (U), фактически состоит только из элементов, полученных искусственно.
Периодическая таблица все еще растет. Ученые используют ускорители частиц, чтобы швырять ядра одного элемента в ядра других элементов, в надежде, что два ядра сольются и образуют ядро еще неизвестного элемента. Так был получен элемент 112 (еще не имеющий названия). Однако такие ядра очень неустойчивы, и жизнь нескольких атомов, сделанных таким способом, была весьма быстротечной.
Я надеюсь, что теперь вы получили возможность понять, почему химики считают периодическую таблицу своей единственной самой главной концепцией. Она суммирует свойства элементов – изменение их физических свойств, таких как плотность, изменение свойств атомов, таких как их диаметры, и изменение их химических свойств, таких как число и тип связей, которые они образуют с другими атомами (рис. 5.11). Просто взглянув на нее, мы можем узнать, имеет ли элемент характерные свойства металла (железо), неметалла (сера) или чего-то промежуточного (кремний). Мы можем предвидеть химические свойства элемента, замечая свойства его соседей и думая о тенденциях, ожидаемых при движении вниз по группе или вдоль по периоду. Говоря коротко, периодическая таблица – это в высшей степени сжатое и полезное резюме свойств элементов, обладающее значительной предсказательной силой. Мы проделали долгий путь от первоначальной периодической таблицы, содержавшей землю, воздух, огонь и воду в обыкновенном квадрате!
Рис. 5.11.Периодичность свойств элементов иллюстрируется диаграммой, которая показывает диаметры атомов. Наименьшие атомы расположены ближе к верхнему правому углу. Наибольшие атомы расположены ближе к нижнему левому углу. Детали распределения хорошо понятны. Размер атомов является важным критерием для определения физических свойств (таких, как плотность) и химических свойств (таких, как число связей, которые может сформировать атом) элемента.
Менделеев составил свою таблицу эмпирически. Он ничего не знал о структуре атомов и не мог предложить внутреннего концептуального основания для своей таблицы. У нас необходимое понимание есть. Мы теперь знаем, что периодическая таблица есть отображение ритмов заполнения энергетических уровней в атомах (рис. 5.7).
Образ источника периодичности промелькнул перед нами ранее в этой главе, когда мы заметили подобие между гелием и неоном, с одной стороны, и литием и натрием, с другой, и обнаружили, что электронные структуры их атомов аналогичны: гелий и неон имеют атомы с заполненными оболочками, а в атомах лития и натрия одиночный электронзанимает s-орбиталь вне заполненных оболочек. Этот образ лежит в основании всей таблицы. Так, если переходить от атома к атому по пути возрастания атомного номера, то с каждым шагом атомный номер возрастает на единицу и потому возрастает число электронов, необходимых для компенсации заряда ядра. Каждый добавляющийся электрон занимает следующую допустимую атомную орбиталь, подчиняясь принципу запрета Паули, согласно которому одну орбиталь могут занять не более чем два электрона.
Эта последовательность соответствует внешнему виду периодической таблицы. Так, у атомов элементов из групп 1 и 2 (группы, содержащие, например, натрий и магний) s-орбиталь занята. На s-орбитали может находиться до двух электронов, что соответствует двум группам в этой части таблицы: в группе 1 на орбитали находится один электрон, а в группе 2 – два электрона. В правой стороне таблицы имеется блок из шести групп: в этих элементах электроны находятся в процессе заполнения трех p-орбиталей соответствующих оболочек атомов. На этих орбиталях может находиться до шести электронов: элементы группы 13 (такие, как бор, B) имеют один такой электрон, элементы группы 14 (такие, как углерод, C) – два, и так далее, до заполненных орбиталей в группе 18, состоящей из почти полностью инертных, так называемых благородных газов. Узкая полоса в середине таблицы, переходные металлы, состоят из элементов, в которых заполняются d-орбитали соответствующих оболочек: пять d-орбиталей могут вместить до десяти электронов, что в точности соответствует десяти элементам в каждом ряду этого блока групп. Внутренние переходные элементы являются элементами заполняются f-орбитали. В каждой оболочке имеется семь f-орбиталей, что соответствует четырнадцати членам в каждом ряду этого блока.
Мы совершили полный круг. Химики девятнадцатого века разглядели родственные отношения между элементами. Полный перечень родственных связей – настолько, насколько элементы уже были открыты – был создан Менделеевым к концу века. Однако его конструкция носила эмпирический характер, и понимания того, почему элементы приходятся друг другу кузенами, в то время быть не могло. Как же могло случиться, что один сорт вещества является родственным другому? На этот вопрос удалось пролить свет, когда в начале двадцатого века стала понятна структура атомов. Как только в 1920-х гг. были обнаружены ядра и правила, управляющие размещением электронов, немедленно стало ясно, что периодическая таблица является отображением решений уравнения Шредингера. Таблица представляет собой математическую картину вещества. С помощью двух простых идей – что электроны самоорганизуются так, чтобы занять наиболее низкий из возможных уровень энергии, и что на любой данной орбитали не могут находиться более двух электронов – устройство вещества стало доступным для понимания. Химия есть сердце понимания вещества, а в самом сердце химии лежит главное, о чем она повествует, – атомы.
Глава шестая
Симметрия
Вычисление количества красоты
Великая идея: симметрия ставит пределы, ведет и управляет
Может ли быть так, что красота есть ключ к пониманию этого прекрасного мира? Греческий скульптор Поликлит из Аргоса, расцвет деятельности которого пришелся на 450-420 гг. до н.э., заложил основы нашего современного понимания фундаментальных частиц, когда в своем Каноне, введении в эстетику, писал, что «красота приходит мало-помалу посредством многих чисел». Поликлит писал о симметрии, динамическом равновесии расслабленных и напряженных частей человеческого тела и относительной ориентации этих частей, организующихся в гармоническое целое. Через две с половиной тысячи лет мы возвращаемся к математическим аспектам симметрии – и к симметрическим аспектам математики, – чтобы выстроить свое понимание фундаментальных сущностей, из которых высечено вещество, и динамического равновесия сил, которые удерживают эти сущности вместе.
Если под красотой мы имеем в виду симметрию и контролируемые нарушения симметрии, Мондриана, переходящего в Моне, то красота, конечно, лежит в сердце мира. Часть этой красоты открыта для непосредственного восприятия, например, когда мы смотрим на прекрасное произведение искусства. Другая часть, однако, глубоко спрятана и неочевидна для необученного взгляда. Тысячи лет, прошедшие со времени Поликлита, были использованы для того, чтобы выкопать скрытую красоту, дать ее оценку в математической форме, и затем, используя математические средства, провести более глубокие раскопки ландшафта реальности. Как я уже подчеркивал, по мере развития науки, ее глубина и богатство возрастают за счет увеличения абстрактности ее концепций. Это возрастание нигде не прослеживается лучше, чем в открытии симметрии и в развернутом ее использовании в качестве инструмента познания.
Теперь я проведу вас, настолько подробно, насколько мне удастся, по пути, ведущем от непосредственно воспринимаемого к воображаемому, и продемонстрирую ту власть, которую дает в наши руки симметрия. Этот путь поведет нас на самый край обрыва того, что еще доступно воображению.
Объект является симметричным, если действие – которое мы называем преобразованием симметрии, – произведенное над ним, оставляет его неизменным по внешнему виду. Другими словами, если вы на мгновение закроете ваши глаза, то когда вы откроете их снова, вы не сможете сказать, совершил я какое-либо действие или нет. Представьте себе гладкий мяч без украшений; закройте на мгновение глаза, откройте их: повернул ли я шар? Действия, которые мы рассматриваем, могут быть вращением вокруг оси или отражением в зеркале, но существуют и другие преобразования симметрии, которые нам еще предстоит оценить, некоторые из которых представляют собой составные комбинации более простых действий, например, движение в пространстве (называемое трансляцией), за которым следует отражение в зеркале. Вы можете найти отражение даже в музыке. Одним особенно прозрачным примером является поддельное двухчастное сочинение «Моцарта», которое начинается так
и завершается второй частью
являющейся отражением первой части.
Некоторые объекты являются более симметричными, чем другие. Сфера в высокой степени симметрична – это один из самых симметричных объектов, с которыми мы обычно сталкиваемся. Подумайте о числе способов, которыми я могу изменить положение сферы, пока ваши глаза закрыты, так, что вы не сможете обнаружить это, открыв глаза. Я могу повернуть ее вокруг любой из бесконечного числа осей, проходящих через ее центр, на любой угол, лежащий между 0 и 360°. И это еще не все. Я могу представить себе зеркало, проходящее через центр сферы в любом из бесконечного числа направлений, и вы не сможете обнаружить отражение одной полусферы в другую. Есть и другие действия, которые я могу произвести в уме: я могу вообразить, что я беру каждый атом шара на прямой линии, проходящей через центр сферы, и перемещаю этот атом на равное расстояние от центра сферы с другой стороны. Таким путем я перестраиваю шар с помощью операции, известной как инверсия. Вы не сможете утверждать, что я проделал это, поскольку шар после такой инверсии выглядит точно таким же, каким был вначале.
Куб гораздо менее симметричен, чем сфера. Существует несколько действий, которые я могу над ним произвести так, чтобы вы об этом не узнали. Я могу повернуть куб на 90° и 180° по часовой стрелке и против нее вокруг оси, проходящей через центры любой из трех пар противоположных граней. Я могу повернуть его на 120° по часовой стрелке и против нее вокруг любой из четырех осей, проходящих через противоположные углы. Я могу отразить его от любой из трех плоскостей, в которой я могу поместить зеркало, разрезающее куб пополам. Я могу перестроить куб с помощью инверсии относительно его центра. Я бы мог даже оставить куб нетронутым: вы бы не узнали. Поэтому ничегонеделание – называемое тождественным преобразованием– тоже является преобразованием, которое я должен включить в рассмотрение симметрии объекта. Это дает много различных действий, которые я могу проделать так, чтобы вы не узнали; поэтому куб является высоко симметричным, но совсем не таким симметричным, как сфера, с ее бесконечным числом незразличимых преобразований.
Рис. 6.1.Некоторые из преобразований симметрии для куба. Куб выглядит неизмененным, когда мы вращаем его на 90° или 180° вокруг осей, перпендикулярных каждой грани, и на 120° или 240° вокруг осей, проходящих через противоположные углы. Он также выглядит неизмененным при отражении относительно любой из изображенных здесь плоскостей. Есть еще два преобразования симметрии: инверсия относительно центра куба и тождественное преобразование (ничегонеделание).
С определенной формальной точки зрения симметрично все. Это так, потому что в число рассматриваемых преобразований симметрии мы включили тождественное преобразование; ведь даже самые несимметричные объекты – смятый газетный лист, например, – как мы можем проверить, выглядят также, если мы откроем глаза после того, как с ними ничего не было сделано. В данный момент это может показаться жульничеством, что, конечно, так и есть. Однако включение тождественного преобразования вводит все объекты в сферу действия математической теории симметрии, так что мы можем пользоваться соображениями симметрии при обсуждении чего угодно, а не только объектов, о которых мы думаем, как о «симметричных». Математика вообще действует таким образом: она обобщает определения, чтобы ее теоремы могли охватить настолько большую область, насколько это возможно. Конечно, хотя все и симметрично (в этом формальном смысле), некоторые вещи более симметричны, чем другие. «Более симметричные» просто означает, что существует больше способов их изменения, таких, что, когда мы откроем глаза, мы не сможем сказать, было произведено действие или нет. Сфера более симметрична, чем куб, а куб более симметричен, чем пальма. Как можно видеть, теперь мы способны упорядочить объекты в соответствии со степенью их симметрии: аромат симметрии обретает число.
Математическая теория симметрии, в которой этот аромат отвердевает в точных определениях, называется теорией групп. Название этой теории возникло из того факта, что преобразования симметрии, о которых мы говорили, образуют множества операций, которые в математике называются группами. Вообще говоря, группа состоит из множества элементов и правила их комбинирования, такого, что комбинация любой пары элементов тоже является элементом этого множества. Мы можем увидеть, как преобразования симметрии формируют группу, снова представив себе куб. Предположим, я последовательно провожу два действия, поворачивая куб на 90° вокруг одной из осей, перпендикулярных грани, а затем вращая получившийся куб на 120° вокруг диагональной оси. Результат оказывается таким же, каким бы он был, если бы я повернул куб на 120° вокруг одной из других диагональных осей, поэтому эти два последовательно выполненных преобразования эквивалентны одному преобразованию симметрии. Это верно для всех преобразований симметрии куба, поэтому эти преобразования образуют группу. Группам преобразований симметрии для различных фигур даны названия. Например, огромная группа симметрии сферы называется SO(3). Позже мы встретим другие группы с названиями типа SU(2) и SU(3).
Понятие группы выходит далеко за пределы преобразований симметрии, вот почему теория групп является существенной частью математики. Например, возьмем в качестве множества «элементов» положительные и отрицательные числа …, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, … и пусть правилом комбинирования будет сложение. Тогда, поскольку сумма двух целых чисел сама является целым числом, целые числа образуют группу по сложению. Поэтому арифметика есть часть теории групп, и та же идея, которую мы используем, чтобы обсуждать симметрию реальных объектов, может быть использована для обсуждения идей арифметики, и наоборот. Я не собираюсь вести вас в настоящей главе по этому частному маршруту, но он сыграет свою роль в главе 10. Тем не менее просто вынесите отсюда мысль – мысль, которая пронизывает всю эту книгу, – что простая идея может иметь приложения почти неограниченной общности.
Давайте вернемся к рассмотрению собственно симметрии. Нам необходимо отличать группы преобразований симметрии, которые оставляют одну точку объекта неизмененной, от групп, включающих в себя движение через пространство. Первые называются точечными группами, последние – пространственными группами. Все преобразования симметрии сферы и куба оставляют точку в центре в том же положении, в котором она находилась изначально. Если действие сдвигает центральную точку индивидуального объекта, как в случае отражения сферы в плоскости, не проходящей через ее центр, то мы можем заметить, что нечто было проделано, и это действие нельзя считать преобразованием симметрии. Все преобразования симметрии индивидуальных объектов оставляют неизмененной по крайней мере одну точку, так что симметрии индивидуальных объектов описываются точечными группами.
Узоры, тянущиеся через пространство, описываются пространственными группами. Здесь нам придется прибегнуть к небольшому надувательству и представить себе узоры, бесконечно тянущиеся в любом направлении, или представить себе, что мы настолько близоруки, что не можем увидеть происходящее на краях узора. Узоры, действительно тянущиеся бесконечно в одном измерении, называются фризовыми узорами, поскольку они проявляют свойства симметрии, типичные для фризов. Формальное определение фриза в классической архитектуре таково: это горизонтальная полоса, образующая центральную часть антаблемента, часть структуры, поддерживаемая колоннами и лежащая между архитравом и карнизом. Менее формально, фриз это любая горизонтальная декоративная полоса с мотивом, регулярно повторяющимся по всей ее длине. Тут спящий гигант теории групп открывает один глаз и выдает нам первый из своих замечательных инсайтов: существует только пять возможных вариантов фриза. Все фризы, которые когда-либо были созданы и которые когда-либо могут быть созданы, можно классифицировать как один из пяти различных вариантов (рис. 6.2). Конечно, мотивы могут быть разными – стрелки из лука, ромбы, козлики, завиточки, – но если рисунок периодически повторяется (что исключает фризоподобные виды элгинского мрамора, где узор не повторяется), его организация в пространстве ограничена этими пятью вариантами.
Рис. 6.2.Эти формы символизируют пять узоров фриза, допустимых в одномерном случае. Существуют различные мотивы, поскольку квадрант, показанный здесь в различных ориентациях, может быть заменен любым рисунком, но эти пять узоров исчерпывают все возможные регулярные фризы.
Это лишь первый проблеск тех головокружительных глубин, в которые может проникать теория групп. Упоминание о колоссальном интеллектуальном прыжке (к которому я намерен подвести вас более маленькими шагами по мере разворачивания этой главы, но сейчас будет полезно узнать, куда мы направляемся), может быть, даст нам возможность согласиться с тем, что, так же как симметрия ограничивает число возможных структур в пространстве, может оказаться, что симметрия пространства-времени – что бы это ни означало – ограничивает число типов элементарных частиц, которым позволено существовать. Симметрия ставит пределы.
Пока архитектура проходила путь от греческого храма до бунгало, она пришла в упадок настолько, что, упразднив требование антаблемента и фриза, открыла дорогу обоям. Узоры на обоях тянутся бесконечно в двух измерениях, и вариации этих узоров – ленточки, розочки, павлины – и их цвета заполняют рекламные буклеты декораторов интерьера и производителей обоев. Однако теория групп открывает ужасную правду: существует только семнадцать вариантов обойных узоров.
Мы можем выразиться несколько более точно. Под словом сетьмы будем понимать совокупность точек, которые представляют места расположения павлинов или чего-то еще, чему вкус предписывает быть мотивом узора. Узор обоев является комбинацией мотива и сети. Так, все павлины в чередующихся точках сети могут сидеть вертикально, или в этих точках могут чередоваться павлины, сидящие прямо и павлины опасным образом опрокинутые. Учитывая эту разницу, теория групп показывает, что существует только пять типов сетии семнадцать комбинаций сети и мотива(рис. 6.3). Будет интересным упражнением исследовать обои в комнатах, которые вы посещаете, узор брусчатки дворов, которые вы пересекаете, черепицу на крышах или даже узор (если он периодичен) вашего галстука, чтобы определить вашу способность идентифицировать сеть (это обычно легко) и общий узор (что более головоломно, так как некоторые мотивы являются весьма изощренными). Вы никогда не обнаружите периодический узор, который не был бы одним из набора семнадцати узоров, определенного в теории групп как полная Вселенная дизайна обоев.
