壁紙群(wallpaper group)
真實的壁紙、地板鋪磚、織物與裝飾磚砌都有一個共同特徵:它們的圖樣朝兩個獨立方向重複,像母題的無盡格網般填滿整個平面。壁紙群是這類雙週期圖樣的完整對稱群。19 世紀末證明的著名定理是:它們恰有十七種——使重複平面圖樣對稱的根本相異方式只有十七種,而地球上每張壁紙、每片磚地與每幅艾雪版畫,都實現了這十七者之一。
區分這十七種的,是圖樣在兩個平移方向之外所帶的對稱組合:它容許哪些旋轉(結晶限制只允許 2 重、3 重、4 重與 6 重轉動——重複圖樣中絕無 5 重或 7 重),它有沒有鏡線,以及它有沒有滑移反射。把每種自洽的組合清點起來,恰得十七種,不多不少。它們帶有結晶學名稱,如 p1(僅有平移,最樸素)、p4m(鏡線豐富的 4 重圖樣,如帶有全部對稱的正方形鋪磚)與 p6m(最高的六邊形對稱)。清單止於十七的證明確實深刻,由費德洛夫(Fedorov)完成、後由波利亞(Polya)等人補全。
壁紙群是幾何、藝術與結晶學交會之處。它們分類各文化的裝飾圖樣(阿爾罕布拉宮的磚飾以展示眾多十七種之一而聞名),在二維結晶學中描述重複的原子排列如何能對稱。要記住的誠實提醒:「十七種」恰是對在平坦平面中朝兩個方向以平移重複的圖樣而言。不重複的圖樣——如潘洛斯鑲嵌——不在其列,而球面或雙曲空間中的同一分類給出全然不同的家族(在雙曲情形中更有無窮多種)。
最樸素的壁紙群 p1 只有兩個平移:一個母題(比方說逗號形)被複製到格網各處,沒有任何旋轉、鏡線或滑移能把圖樣映到自身。在另一極端,對稱地裝飾的標準正方形鋪磚實現 p4m:它在磚心有 4 重旋轉、沿磚與橫磚都有鏡線,並具備正方形格網所容許的全套對稱。
每個在平面中朝兩個方向重複的圖樣,都對應恰好十七種群之一。
「十七」是一條定理,而非約定——且它依賴結晶限制,後者禁止任何重複平面圖樣具有 5 重旋轉對稱。像潘洛斯那樣的不重複鑲嵌根本不是壁紙群。