超空間(superspace)
這裡有個來自日常的把戲。拿一張橫格紙——完美週期的線條,等距排列。現在用一道以微小無理角度傾斜的直切割它,只看你的切線與這些橫線相交之處。這些交點是有序的(它們來自規則的格子),卻「不」重複,因為斜率是無理數。你用一個二維的週期圖案,造出了一個一維的非週期圖案。超空間正是把這個想法反過來用:為了理解一個在我們三維中不肯重複的晶體,你把它想像成一個活在更高維空間、完美週期晶格的平坦切片。
更精確地說,非週期結構需要三個以上的整數來標記它的繞射點——比方說三個主整數再加 d 個額外的「衛星」整數。超空間給每個那樣的額外整數各配一個額外維度,於是你在 (3 + d) 維空間中工作。在那個擴大的空間裡,結構「是」週期的:有普通的單位晶胞、普通的對稱(一個超空間群),而所有熟悉的晶體學工具都適用。真實材料就是穿過這個高維晶格的三維切片。超空間中的原子不是點,而是「原子表面」(弦或面),我們的三維切片與它們相交之處,就固定了真實原子坐落的位置。由於切片以無理角度傾斜,沒有任何兩個交點會完全相同——這就是非週期性。
這是把非週期晶體從弔詭變成例行晶體學的主力方法。調變與非公度結構通常在 (3+1) 或 (3+2) 維中處理;二十面體準晶用六維描述,十邊形準晶用五維。這些高維是一種記帳工具,並非主張原子真的住在六維空間裡——但這套記帳很有威力,因為它把空間群、系統消光與精算的整套機制,重新賦予那些在樸素三維空間中根本沒有單位晶胞的固體。
一個位移調變的晶體,其原子沿著週期為基本晶胞 3.7 倍(一個無理、非公度的比值)的波擺動,在三維中沒有單位晶胞。把它抬升到 (3+1) 維:三軸的基本間距,加上一個對應那道波的額外軸,現在就「有」一個週期的超空間晶胞了。真實晶體就是穿過它的三維切片。
超空間:靠增加維度來找回週期性;真實的非週期晶體是穿過更高維週期晶格的一道無理切片。
那些額外維度是數學上的記帳工具,並非主張原子實際佔據四維、五維或六維空間。真實材料永遠是普通的三維切片;超空間只是在紙面上讓它變成週期的。