Problem einsteina

W geometrii płaszczyzny problem einsteina dotyczy istnienia pojedynczej płytki, która może pokryć całą płaszczyznę euklidesową bez szczelin i nakładania, ale wyłącznie w sposób nieokresowy[1]. Taki kształt bywa nazywany einsteinem, co stanowi grę słów od niemieckiego ein Stein, czyli „jeden kamień”[2]. W zależności od przyjętej definicji nieokresowości oraz od tego, czy dopuszcza się dodatkowe reguły dopasowania, problem przez dziesięciolecia pozostawał albo nierozwiązany, albo miał jedynie częściowe rozwiązania[3][4]. Najbardziej rygorystyczny wariant problemu, dotyczący pojedynczej dwuwymiarowej płytki bez dodatkowych reguł dopasowania, uznaje się za rozwiązany od 2023 roku[5]. Problem einsteina bywa traktowany jako naturalne rozszerzenie drugiej części osiemnastego problemu Hilberta, dotyczącej pojedynczego wielościanu wypełniającego trójwymiarową przestrzeń euklidesową tak, by żaden otrzymany z niego parkietaż nie był izoedryczny[6]. Już w 1928 Karl Reinhardt skonstruował płytki anizoedryczne, ale wszystkie dawały także parkietaże okresowe[6].
Częściowe rozwiązania

W 1988 roku Peter Schmitt skonstruował pojedynczą aperiodyczną płytkę w trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej. Żaden parkietaż otrzymany z tej bryły nie ma symetrii translacyjnej, ale część takich struktur ma symetrię śrubową. Taka symetria łączy przesunięcie z obrotem o niewymierną wielokrotność liczby π, więc żadne skończone powtórzenie tej operacji nie prowadzi do czystej translacji[7]. John Horton Conway i Ludwig Danzer rozszerzyli później tę konstrukcję na wypukły kafelek Schmitta-Conwaya-Danzera. Obecność symetrii śrubowej skłoniła badaczy do doprecyzowania pojęcia aperiodyczności i do rozróżnienia między wersją słabą a silną; w tej drugiej wyklucza się także nieskończone cykliczne grupy izometrii euklidesowych, nie tylko zwykłe translacje[8].
W 1996 roku Petra Gummelt pokazała, że pojedynczy dziesięciokątny kafelek może pokrywać płaszczyznę nieokresowo, jeśli dopuści się dwa określone typy nakładania sąsiednich kopii. Taka konstrukcja nie jest jednak zwykle uznawana za rozwiązanie problemu einsteina w jego klasycznej postaci, ponieważ nie daje parkietażu bez zachodzenia elementów na siebie[9].
W 2010 roku Joshua Socolar i Joan Taylor opisali kafelek Socolara-Taylora, czyli pojedynczy kształt wymuszający aperiodyczny parkietaż dzięki dodatkowym regułom dopasowania odnoszącym się do oznaczeń na powierzchni płytki. Reguły te mogą dotyczyć także par płytek, które nie są bezpośrednimi sąsiadami. Bez takich reguł można skonstruować wersję nieozdobioną, ale nie jest ona spójna. Istnieje też wariant trójwymiarowy bez reguł dopasowania, już spójny, lecz dopuszczający parkietaże okresowe w jednym kierunku, a więc jedynie słabo aperiodyczny; ponadto nie jest on jednospójny[10].
Kapelusz i widmo

W listopadzie 2022 roku David Smith odkrył trzynastoboczny kształt nazwany później „kapeluszem”, złożony z ośmiu deltoidalnych elementów sklejonych krawędziami[11]. W marcu 2023 roku Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan i Chaim Goodman-Strauss ogłosili dowód, że „kapelusz” wraz ze swoim lustrzanym odbiciem tworzy aperiodyczny prototyp wypełniający płaszczyznę, a zarazem należy do całej nieskończonej rodziny podobnych monopłytek[5][12]. Odkrycie to zostało szeroko opisane także w źródłach popularnonaukowych po polsku[3][4][13][14].
W 2024 roku ci sami autorzy opublikowali pracę o spokrewnionej rodzinie kształtów nazwanych „widmami” (ang. spectres). Są to ściśle chiralne aperiodyczne monopłytki, które mogą pokrywać płaszczyznę wyłącznie za pomocą przesunięć i obrotów, bez użycia odbić lustrzanych[15]. Co więcej, w żadnym takim parkietażu nie pojawiają się jednocześnie obie chiralności płytki, więc także po dopuszczeniu odbić lustrzanych „widmo” pozostaje rozwiązaniem ściśle aperiodycznym[15]. W praktyce oznacza to, że po ogłoszeniu „kapelusza” pojawiły się jeszcze bardziej rygorystyczne warianty rozwiązania problemu einsteina[3].
-
Wielokątny wariant płytki „Tile(1,1)”.
-
Wersja „widma” z krawędziami opartymi na krzywych Béziera trzeciego stopnia.
-
Pokrewny wariant „widma” z krawędziami opartymi na krzywych Béziera drugiego stopnia.
Zastosowania
Odkrycie „kapelusza” szybko zwróciło uwagę fizyków materii skondensowanej. W 2024 roku opisano model dwuwymiarowego materiału opartego na parkietażu tą płytką, wykazującego jednocześnie cechy kwazikryształu, chiralność i własności przypominające grafen[16][17]. Badano także zastosowania inżynieryjne takich parkietaży, między innymi w strukturach typu plaster miodu o zerowym współczynniku Poissona oraz w materiałach kompozytowych o zwiększonej sztywności i odporności na pękanie[18][19]. Z punktu widzenia mechaniki materiałów interesująca okazała się również nieskończona rodzina kształtów spokrewnionych z „kapeluszem”, ponieważ ciągła zmiana ich geometrii może prowadzić do ciągle przestrajalnych własności mechanicznych, w tym do płynnie zmiennego współczynnika Poissona w strukturach typu plaster miodu[20].
Popularyzacja
Odkrycie płytek typu „hat” i „spectre” szybko trafiło do popularyzacji matematyki oraz sztuki. W 2023 National Museum of Mathematics i United Kingdom Mathematics Trust zorganizowały konkurs Einstein Mad Hat Awards na artystyczne interpretacje tych parkietaży, z nagrodami o łącznej wartości 20 000 dolarów[21][22]. Laureatów z Wielkiej Brytanii i z zagranicy uhonorowano następnie podczas finału 12 grudnia 2023 w brytyjskiej Izbie Gmin[23].
Zobacz też
Przypisy
- ↑ Bernhard Klaassen. Forcing nonperiodic tilings with one tile using a seed. „European Journal of Combinatorics”. 100, 2022. DOI: 10.1016/j.ejc.2021.103454.
- ↑ Emily Conover: Mathematicians have finally discovered an elusive ‘einstein’ tile. Science News, 2023-03-24. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-03-24)].
- ↑ a b c Craig S. Kaplan: Płytka einstein. Opowieść o poszukiwaniu kształtu wcześniej niewidzianego w matematyce. Projekt Pulsar, 2023-11-06. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2024-02-22)].
- ↑ a b Piotr Gąsiorowski: Einstein zwany kapeluszem, czyli co nowego w parkietażach. Eksperyment Myślowy, 2023-03-25. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-03-25)].
- ↑ a b David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, Chaim Goodman-Strauss, An aperiodic monotile, „Combinatorial Theory”, 4, 2024, DOI: 10.5070/C64163843.
- ↑ a b Marjorie Senechal: Quasicrystals and Geometry. Cambridge University Press, 1996, s. 22–24. ISBN 0-521-57541-9.
- ↑ Charles Radin. Aperiodic tilings in higher dimensions. „Proceedings of the American Mathematical Society”. 123 (11), s. 3543–3548, 1995. American Mathematical Society. JSTOR: 2161105.
- ↑ Chaim Goodman-Strauss: Open Questions in Tiling. 2000-01-10. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-04-18)].
- ↑ Petra Gummelt, Penrose Tilings as Coverings of Congruent Decagons, „Geometriae Dedicata”, 62 (1), 1996, s. 1–17, DOI: 10.1007/BF00239998.
- ↑ Joshua E. S. Socolar, Joan M. Taylor. An Aperiodic Hexagonal Tile. „Journal of Combinatorial Theory, Series A”. 118 (8), s. 2207–2231, 2011. DOI: 10.1016/j.jcta.2011.05.001.
- ↑ Erica Klarreich: Hobbyist Finds Math’s Elusive ‘Einstein’ Tile. Quanta Magazine, 2023-04-04. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-04-04)].
- ↑ Christian Lawson-Perfect, Katie Steckles, Peter Rowlett: An aperiodic monotile exists!. The Aperiodical, 2023-03-22. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-03-22)].
- ↑ Mirosław Usidus: Figura einstein czyli kapelusz. Młody Technik, 2023-04-03. [dostęp 2026-04-16].
- ↑ Matematycy odkryli nowy kształt o niezwykłych właściwościach. Czapki z głów. Focus, 2023-06-28. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-03-28)].
- ↑ a b David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, Chaim Goodman-Strauss, A chiral aperiodic monotile, „Combinatorial Theory”, 4 (2), 2024, DOI: 10.5070/C64264241.
- ↑ Adolfo G. Grushin, Titus Neupert, Claudio Chamon, Roderich Moessner. Physical Properties of an Aperiodic Monotile with Graphene-like Features, Chirality, and Zero Modes. „Physical Review Letters”. 132, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.086402.
- ↑ Emily Conover: A predicted quasicrystal is based on the ‘einstein’ tile known as the hat. Science News, 2024-01-25. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2024-01-25)].
- ↑ Daniel John Clarke, Francesca Carter, Iestyn Jowers, Richard James Moat. An isotropic zero Poisson's ratio metamaterial based on the aperiodic 'hat' monotile. „Applied Materials Today”. 35, 2023. DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101959.
- ↑ Jiyoung Jung, Ailin Chen, Grace X. Gu, Aperiodicity is all you need: Aperiodic monotiles for high-performance composites, „Materials Today”, 73, 2024, s. 1–8, DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.015.
- ↑ Richard J. Moat, Daniel John Clarke, Francesca Carter, Dan Rust, Iestyn Jowers. A class of aperiodic honeycombs with tuneable mechanical properties. „Applied Materials Today”. 37, 2024. DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102127.
- ↑ The Einstein Mad Hat Awards. National Museum of Mathematics. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-08-20)].
- ↑ Siobhan Roberts: What Can You Do With an Einstein?. The New York Times, 2023-12-10. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2023-12-10)].
- ↑ The Einstein Mad Hat Awards – London. United Kingdom Mathematics Trust, 2024-02-01. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2024-02-25)].
Linki zewnętrzne
- An aperiodic monotile, strona projektu Craiga S. Kaplana i współautorów
- A New Tile in Newtyle, odcinek Numberphile o odkryciu „kapelusza”
Content Disclaimer
Informasi ini disarikan dari Wikipedia dan disajikan kembali untuk tujuan edukasi. Konten tersedia di bawah lisensi CC BY-SA 3.0. Kami tidak bertanggung jawab atas ketidakakuratan data yang bersumber dari kontribusi publik tersebut.
- The information displayed on this website is sourced in part or in whole from Wikipedia and has been adapted for the purpose of restating it. We strive to provide accurate and relevant information, however:
- There is no guarantee of absolute accuracy. Wikipedia is an open, collaborative project that can be edited by anyone, so information is subject to change.
- It is not intended to constitute professional advice. The content displayed is for informational and educational purposes only. For important decisions (e.g., medical, legal, or financial), please consult a professional.
- Content copyright. Wikipedia is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike License (CC BY-SA). This means that content may be reused with appropriate attribution and shared under a similar license.
- Responsible use. Any risk arising from the use of information from this website is entirely the responsibility of the user.