與數(shù)學(xué)家赫爾曼·外爾游覽波斯

女士們，先生們，老少爺們兒們！在下張大少。

赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）的開創(chuàng)性暢銷書《對稱》（Symmetry，1952 年）中介紹了對稱性和對稱群的知識。外爾的意圖是通過藝術(shù)和建筑，從文化的角度說明如何更好地理解幾何變換，然后是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。我們的目的是提供一組精選的波斯古跡圖片，作為補(bǔ)充，以說明外爾的觀點(diǎn)。在大師的指導(dǎo)下，我們重點(diǎn)研究了不同種類的對稱，從最簡單、最古老的對稱開始，到那些更復(fù)雜的對稱，而不考慮波斯境內(nèi)的年代或地理情況。

簡介

赫爾曼·外爾（Hermann Weyl，1885-1955 年）從新澤西州普林斯頓高等研究院退休前，曾進(jìn)行過4次關(guān)于對稱性的演講。根據(jù)《科學(xué)美國人》（Scientific Americann）的報(bào)道，這四次演講被收錄在一本名為《對稱》（Symmetry）的書中，該書于 1952 年首次出版，“是對雕塑、繪畫、建筑、裝飾和設(shè)計(jì)中的對稱性的一次精湛而迷人的考察”。在當(dāng)時，這本書是專業(yè)數(shù)學(xué)家很少寫的書，現(xiàn)在依然如此： 外爾打算向不懂?dāng)?shù)學(xué)的人展示，從人類文明的曙光到相對論和量子力學(xué)等物理學(xué)的嶄新進(jìn)展，對稱性和群的數(shù)學(xué)概念是多么耳熟能詳。他在前言中解釋道：

“我的目的有兩個：一方面展示對稱原理在藝術(shù)、無機(jī)和有機(jī)自然界中的廣泛應(yīng)用，另一方面逐步闡明對稱思想的哲學(xué)數(shù)學(xué)意義。.... 作為這本書的讀者，我所考慮的范圍要比博學(xué)的專家更廣[Weyl 1952：序言（未編號）]。”

因此，他的書讓一些讀者大吃一驚：書中既沒有數(shù)學(xué)證明，也沒有參考書目。書中的定義非常精確，但在介紹這些定義時卻沒有絲毫停頓。雖然這本小書的編排非常嚴(yán)謹(jǐn)，從對稱性的普通含義到當(dāng)代數(shù)學(xué)和物理學(xué)中的復(fù)雜成就都有涉及，但它卻讓人在時間和地點(diǎn)之間漫步，并有意想不到的跳躍和回溯。本書的主干部分展示了幾何和代數(shù)概念日益增長的復(fù)雜性；必須牢記的是，對稱性的概念是人類發(fā)展史上最古老的概念之一，而群的概念則是最新的概念之一，它出現(xiàn)于19世紀(jì)上半葉，盡管直到本世紀(jì)下半葉才被應(yīng)用于幾何。

顯而易見，外爾主要是通過圖書館查找相關(guān)圖片，而且由于當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)，書中只有黑白照片。然而，半個世紀(jì)后的今天，一部融合了新技術(shù)并在地域上擴(kuò)展了研究領(lǐng)域的作品已經(jīng)有了用武之地。即使有了更多的旅行便利，這仍然至少在兩個方向上具有挑戰(zhàn)性：

- 嘗試收集具有代表性的插圖，而不局限于歐洲或古代地中海文明；

- 選擇一個在外爾書中似乎被低估的地理區(qū)域--不是因?yàn)樽髡叩钠肺痘蛑R不足，而是可能因?yàn)槿狈D片--并設(shè)計(jì)一條與外爾書平行的路線。從這個角度來看，波斯是一個理想而又顯而易見的選擇。

波斯歷史悠久，疆域遼闊，可以說是外爾對稱思想的活見證。它提供了各種各樣的例子來說明他的觀點(diǎn)。粗略地說，從大流士和阿契美尼德王朝（公元前 550-330 年）到阿巴斯和薩法維王朝（公元 1501-1736 年），中東和中亞國家構(gòu)成了一個帝國的不同部分，其范圍隨時間而變化，但始終包括從安納托利亞到印度河的廣大地區(qū)。我們將盡可能廣泛地選擇這一地區(qū)的例子，大致相當(dāng)于薩珊帝國（公元前 224-651 年）的范圍（圖 1），同時牢記過去文明的邊界往往與政治邊界和當(dāng)代邊界大相徑庭。在我們的選擇中，還包括一些證明波斯對中國東部和印度北部影響的遺跡。

圖1 薩珊波斯帝國（約公元 500 年）。

我們按照外爾書中的計(jì)劃，根據(jù)所涉及的對稱性而不是地理或年代因素對例子進(jìn)行分類。

從和諧到對稱

在書的開頭，外爾指出了對稱一詞的一個古老而常見的含義，即和諧與平衡的總體感覺。即使不是數(shù)學(xué)家或建筑師，也會將伊斯法罕的納格什·賈漢廣場或撒馬爾罕的雷吉斯坦廣場的對稱體驗(yàn)為和諧與平衡。但是，外爾立即轉(zhuǎn)向幾何變換的精確含義，并開始研究最簡單的幾何變換，即跨直線或平面的反射。這是藝術(shù)家們在觀察到人體或動物體在幾何變換中保持不變之后使用的第一種幾何變換，因此在最古老的神像表現(xiàn)中也能找到：由于不忠于現(xiàn)實(shí)，雕刻家們不得不雕刻兩個面對面的人物，每個人都是對方的反射像。外爾的書中有兩幅波斯藝術(shù)作品，其中一幅出自大流士在蘇薩的宮殿（公元前490年）。所選圖片沒有顯示上方的馬茲德翼太陽，但正如我們的圖片所示，其自身的反射不變性也尊重這種一般對稱性（圖 2）。

圖2 蘇薩浮雕，釉面磚（德黑蘭博物館）

圖3 加濟(jì)安泰普的赫梯浮雕（安卡拉博物館）

眾所周知，波斯藝術(shù)受到阿契美尼德帝國各民族許多先前元素的滋養(yǎng)，后來又融入了這些元素。巴比倫帝國和赫梯世界也有類似的對稱浮雕（圖3）。阿拉伯征服之后，對稱仍然是宮殿和宗教場所平面和立面的主要特征。清真寺精心裝飾和擴(kuò)大的門廊（圖4）被稱為 “pishtaq”，是對反射最高境界的贊美。

圖4 星期五清真寺的Pishtaq，亞茲德（伊朗）

是否完美對稱？

有時，對稱乍一看似乎很完美，但仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)有一些不完美之處。這一定有更高的原因，而且在波斯比在其他地方更明顯，它總是一種社會或宗教秩序的標(biāo)志。首先來看亞茲德的一扇老門（圖5）：為了不違反對稱原則，這扇門有兩個門環(huán)！但仔細(xì)一看：雖然門環(huán)的位置保持了對稱，但它們的形狀卻不對稱。此外，它們發(fā)出的聲音也不一樣，這是為了讓人知道敲門的是男人還是女人，以便由相同性別的人開門！

圖5 傳統(tǒng)門，亞茲德（伊朗）

伊斯法罕納格什·賈漢廣場南側(cè)的沙赫清真寺（1611-1629 年）至少可以從兩個方面來考慮對稱性和對稱性的調(diào)整。首先，入口的pishtaq仔細(xì)地與矩形廣場的軸線對齊，但圓頂圣殿卻沒有類似的對齊方式（圖6a）。原因在于建筑必須面向麥加，這顯然是最優(yōu)先考慮的問題。建筑師以一種非常優(yōu)雅的方式解決了這個問題，他連續(xù)修建了兩個pishtaq，一個沿著面向 Naghsh-e Jahan 廣場的一側(cè)，另一個面向庭院，與麥加方向垂直。在兩座石塔之間，是宏偉的藍(lán)瓦庭院。這樣，廣場和清真寺內(nèi)部都保持了對稱。游客在第一座清真寺和庭院之間的有頂通道上重新調(diào)整朝向麥加的腳步，離開一個對稱點(diǎn)，進(jìn)入另一個對稱點(diǎn)。Naghsh-e Jahan 廣場東側(cè)的謝赫·洛特福拉清真寺也采用了同樣的設(shè)計(jì)。

圖6a 伊斯法罕沙阿清真寺(伊朗)

圖6b 入口細(xì)節(jié)

其次，人們常說，為了表示對神的敬意，裝飾物幾乎沒有什么可察覺的變化：純粹的對稱意味著人類也能達(dá)到同樣的完美（圖6b）。外爾報(bào)告了一個關(guān)于古代神廟的類似傳說。在圖6b中，箭頭指向一個沒有對稱的圖案；這是“阿里”（先知穆罕默德的女婿，在什葉派伊斯蘭教中備受推崇）的名字。

我們的第三個例子可以追溯到薩珊王朝的建立：公元226年，阿爾達(dá)希爾一世成為國王。幾年后雕刻的石頭浮雕講述了這個故事[Bier 1993],仿佛這是一個傳說：阿爾達(dá)希爾國王從波斯天空之神阿胡拉·馬自達(dá)那里得到了一枚戒指(圖7)。

圖7 阿胡拉·馬自達(dá)(右)和阿爾達(dá)希爾一世(左)，納克什·魯斯塔姆(伊朗)

對稱性占主導(dǎo)地位，將國王描繪成與神平等的形象；但這一幾何規(guī)則卻被彎曲了兩次：

- 首先，與馬的前腿形成對比，就像在鏡子中看到的一樣（阿爾達(dá)希爾的馬的左腿抬起，正對著阿胡拉·馬茲達(dá)的馬的右腿抬起），戒指是從右手給到右手的，象征的力量具有更高的優(yōu)先權(quán)。外爾用了幾頁篇幅討論了他所謂的“左右數(shù)學(xué)哲學(xué)”[1952:20-25]；

- 其次，仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)一個更微妙的跡象：皇帝實(shí)際上比阿胡拉·馬茲達(dá)小一點(diǎn)，以示尊重。這在政治上非常巧妙！

讓我們回到一種理論上的完美對稱，即水作為一面鏡子所產(chǎn)生的完美對稱。沒有人比波斯建筑師更精通這一概念了！1632年在印度阿格拉建造的泰姬陵是世界上最完美的建筑，它的影響力毋庸置疑。

在半荒漠地區(qū)，由于缺水，這一大膽的計(jì)劃具有更高的價值。我們還可以注意到，它是下文所考慮的多邊形對稱性的友好入門，因?yàn)樵谒羞@些情況下，所產(chǎn)生的兩個正交線反射生成一個四元素組（所謂的克萊因四元素組 K = R2 x R2；有關(guān)組的精確定義和克萊因四元素組的 Cayley 表，見附錄），該組在其所有變換中都保留了正面視圖（圖 8、9、10）。在伊斯法罕，Chehel Sutun 宮（1647 年在阿巴斯二世統(tǒng)治下建成，見下圖 19a）的綽號“40柱宮”就源于這種對稱性，因?yàn)樗挥?0根柱子，而正面的倒影池中卻有鏡面反射！還有什么其他技巧能讓我們有機(jī)會在伊斯法罕的宮殿中看到這種對稱性呢？還有什么其他方法能讓我們有機(jī)會在建筑物的正面看到這組柱子呢？

圖8. 納迪爾·迪萬·貝格清真寺，布哈拉（烏茲別克斯坦）

圖9 星期五清真寺，克爾曼（伊朗）

圖10 亞茲德附近的 Ateshkadeh 拜火教寺廟（伊朗）

平移和旋轉(zhuǎn)

平移是繼反射之后最簡單的幾何變換，因此外爾接下來要研究平移。作為一個在平移及其迭代下不變的圖形的例子，他提到了蘇薩的大流士宮[Weyl 1952: 49, 圖 25]，但他也可以選擇波斯波利斯：阿帕達(dá)納樓梯提供了各種例子，從最基本的（圖11a，水平重復(fù)的單一形式）到最不尋常的，其中平移矢量的方向既不是水平也不是垂直的（圖 11b）！

圖11a、b：波斯波利斯的樓梯（伊朗）

當(dāng)然，圖11b中的圖案并不完全相同，因?yàn)橹Я鳛榇笸踹\(yùn)送著各種禮物。

在蘇薩的浮雕中，外爾展示了一個“基本”圖案（即通過一次平移迭代生成整幅圖畫的最小單位）的案例，該圖案由兩名士兵組成，他們的服裝有所區(qū)別。我們可以在《阿帕達(dá)納》中找到這種對稱圖案的一種新的實(shí)現(xiàn)方式，在該圖中，手持盾牌的波斯士兵與麥地亞戰(zhàn)士交替出現(xiàn)（圖12a）。如果考慮到服裝的長度和帽子的形狀，我們還可以在圖11b中看到這種對稱模式。在埃蘭文明時期（公元前13世紀(jì)）的蘇薩發(fā)現(xiàn)了一個更古老但更復(fù)雜的例子，其中的圖案單元由三個站立的人物組成（圖12b）。

圖12a 波斯波利斯(伊朗)，阿帕達(dá)納，阿切曼尼期

圖12b 蘇薩（伊朗），阿帕達(dá)納，埃蘭王朝時期（巴黎盧浮宮博物館）

早在幾個世紀(jì)之前，居住在后來成為赫梯帝國一部分的地區(qū)的人們就創(chuàng)作了具有類似對稱圖案的浮雕。安納托利亞中部赫梯人的浮雕、其后裔在現(xiàn)在的土耳其東部地區(qū)的浮雕以及美索不達(dá)米亞亞述人的浮雕都是阿契美尼德帝國波斯藝術(shù)的源頭，阿契美尼德帝國吸收了其前身的藝術(shù)傳統(tǒng)。沿著時間軸再往前走，我們會在比夏普爾的薩珊浮雕中發(fā)現(xiàn)精美的平移馬（圖 13）。

圖13 薩珊王朝浮雕，比夏普爾（伊朗）

然而，完美平移圖案的藝術(shù)可以追溯到更久遠(yuǎn)的美索不達(dá)米亞文明：平移是滾動圓筒形印章的自然結(jié)果，其功能是在粘土文件上留下真實(shí)的簽名。美地亞和波斯的圓筒形印章也同樣使用對稱性。從幾何學(xué)的角度來看，一次完整的旋轉(zhuǎn)可以印出圖案，而每一次連續(xù)的旋轉(zhuǎn)則可以印出平移。圖 14展示了一個帶有怪獸獅子的例子。

圖14 伊拉克烏魯克的圓柱形印章（公元前4000至3000年）（巴黎盧浮宮博物館）

這個例子展示了線條反射和平移的結(jié)合，因?yàn)榛緢D案本身具有垂直線條對稱性：由于這種對稱性無法通過旋轉(zhuǎn)印章來處理，因此設(shè)計(jì)了兩只動物面對面、頸部相扣的雕刻。

多邊形對稱

事實(shí)上，外爾的研究方向恰恰相反。他從每個長度為 a 的平移圖案開始，想象將其應(yīng)用于圓周長為 a 的倍數(shù)（例如 na）的圓柱體的結(jié)果，從而引入有限群 Rn 和 Dn。前者是一個由 n 個元素組成的循環(huán)群，即 Id、r、r2、...rn-1（rr 是一個旋轉(zhuǎn)，使得 r n=Idd ）；后者是二面體群，即使 n 邊多邊形不變的所有對稱群：它有 2n 個元素，即 Rn 中的 n 個旋轉(zhuǎn)和 n 個軸通過旋轉(zhuǎn)定點(diǎn)的線反射。外爾認(rèn)為，達(dá)芬奇在研究教堂的對稱性時，發(fā)現(xiàn)了這些是平面中唯一的有限對稱群這一事實(shí)[1952: 66]。外爾補(bǔ)充說：“在建筑中，4 的對稱性占主導(dǎo)地位”[1952: 65]。

轉(zhuǎn)念一想，這可能會讓人感到驚訝：以長方形為基礎(chǔ)的古跡比以正方形為基礎(chǔ)的古跡要多得多。當(dāng)然，這必須理解為 “在正多邊形中”。方形古跡幾乎存在于所有文明中，即使是那些毫不相干的文明也不例外，但中亞有兩處方形古跡瑰寶：伊朗蘇薩附近 Chogha Zambil 的金字形城堡（圖 15）和烏茲別克斯坦布哈拉伊斯梅爾一世及其繼承者的薩曼尼王朝陵墓（圖 16）。Chogha Zambil 約建于公元前1250年，由埃蘭人建造；布哈拉的陵墓建于公元 905 年；這兩座陵墓都采用了D4對稱群。

圖15 Chogha Zambil，蘇薩附近（伊朗）

圖16 伊斯梅爾·薩馬尼陵墓，布哈拉（烏茲別克斯坦）

如果我們只研究裝飾而不是建筑物的總體形狀，還可以發(fā)現(xiàn)其他Dn的出現(xiàn)。例如，在建于公元 1312年的伊朗索爾塔尼耶著名的奧爾杰圖陵墓的天花板上就有 D6 組圖案（圖 17）。

圖17 奧爾杰圖陵墓，索爾塔尼耶（伊朗）

我們還可以在六芒星的中心觀察到一個D12不變圖形：藝術(shù)家暗中利用了D12是D6群的一個子群這一事實(shí)！陵墓本身是以D8不變八邊形為基礎(chǔ)的，這可能是繼正方形之后建筑師最常使用的正多邊形；吉爾吉斯共和國天山的布拉納塔（圖18）底座就是一個美麗的D8例子。這座塔建于9世紀(jì)末，是被地震毀壞了一半的尖塔的一部分，它顯示了波斯建筑的影響向東方傳播得有多遠(yuǎn)。

圖18 布拉納塔（吉爾吉斯共和國）

正如外爾所說，奇數(shù)n的出現(xiàn)要少得多，這似乎有點(diǎn)奇怪，因?yàn)槲暹呅蔚臉?gòu)造方法在希臘傳統(tǒng)和中世紀(jì)波斯都是眾所周知的。五角形和十角形作為裝飾圖案出現(xiàn)在民用和宗教遺跡的天花板和墻壁上的頻率相對較高。圖19a展示的是伊斯法罕謝赫爾·蘇屯宮殿天花板上的一個例子（1647 年在阿巴斯二世統(tǒng)治下完工）。

這種帶有五角星和十角星的圖案確實(shí)是經(jīng)典之作；從西邊的土耳其到東邊的中國新疆都有記載。印度也有這種圖案，如這幅jalii（北非和中東地區(qū)稱為 mashrabiyah 的一種木雕或石雕格子鏤空窗）（圖 19b）所示。這是 D10 不變圖案（大十角星）和 D5 星的混合體，巧妙地用四邊形完成（用五角星密鋪平面是不可能的）。

圖19 a左)伊斯法罕切赫爾蘇通宮(伊朗)；b右)城市宮殿，賈布爾(印度)

伊朗亞茲德星期五清真寺的伊旺（伊斯蘭教紀(jì)念碑中的一種拱頂大廳）上有幾顆七芒星（圖 20）。墻壁本身飾有 D10 圖案，但訣竅在于將 D77 圖案插入屋頂內(nèi)部，因?yàn)榇颂幙臻g縮小，無法再插入十邊形圖案。幾乎沒有人--也許只有數(shù)學(xué)家？- 會注意到這一 “微小 ”的變化；相反，他們看到的是一個完美的密鋪圖案。我們可能會問，為什么七芒星或七角星如此罕見，因?yàn)槿藗兛隙ㄖ澜频臉?gòu)造。下面兩個早期的例子（圖 21 和 22）展示了對這些圖形的完美掌握：盧浮宮的作品（圖 21）一面展示了七角形的構(gòu)造，另一面展示了六角形的構(gòu)造，并附有楔形文字注釋。

圖20 星期五清真寺，亞茲德（伊朗），上方有幾顆七角星，下方有十角星，如圖所示

圖21（左） 蘇薩泥板（巴黎盧浮宮）上的七角形結(jié)構(gòu)。

圖22（右） 尼姆魯?shù)虑嚆~碗，新亞述時期，公元前9-8世紀(jì)（紐約大都會藝術(shù)博物館）

無反射旋轉(zhuǎn)

追逐Rn意味著在稀缺性上更進(jìn)一步。然而，自人類誕生以來，Rn但非Dn不變的圖案就一直吸引著人們：“賦予這些圖案神奇力量的根源似乎在于它們驚人的不完全對稱--沒有反射的旋轉(zhuǎn)"[Weyl 1952: 67]。

當(dāng)你進(jìn)入亞茲德時，你經(jīng)常會聽到當(dāng)?shù)厝说目湟涸谌魏蔚胤蕉紱]有像亞茲德這樣的清真寺。從我們的幾何角度來看，這當(dāng)然是真的：我們在星期五清真寺的米哈拉布上發(fā)現(xiàn)了一個R6不變圖案（圖 23a），在阿米爾·查赫馬格清真寺令人印象深刻的 pishtaq上也發(fā)現(xiàn)了類似的圖案（圖 23b）。

圖23 a上）星期五清真寺，米哈拉布細(xì)節(jié)，亞茲德（伊朗）；b下）阿米爾·查赫馬格清真寺，亞茲德（伊朗）

在同一個紀(jì)念碑中，我們可以找到最常見的 Rn 不變圖案，n = 4（圖 24）。另一個漂亮的圖案出現(xiàn)在伊斯法罕的沙赫清真寺兩個pishtaq之間的走廊上（圖 25）。

圖24（左）伊朗亞茲德的Amir Chakhmagh清真寺 圖 25（右） 伊朗伊斯法罕沙阿清真寺

當(dāng)然，對于數(shù)學(xué)家來說，最吸引人的圖案是伊斯法罕星期五清真寺西側(cè)的花壇（圖26a）：除了其固有的美之外，它還提供了阿布·瓦法（Abu Al-Wafa，940-998 年）對勾股定理的著名演示（圖 26b）。他的名著《對工匠有用的幾何構(gòu)造》（Kitab Fi Ma Yahtaju Al-Sani Min Al-a Mal Al-Handasiyyaa）廣受歡迎，建筑師或工匠無需專業(yè)數(shù)學(xué)家的幫助即可使用，而這本書正是為此目的而寫的。

圖26a 伊朗伊斯法罕星期五清真寺

圖26b 伊朗伊斯法罕星期五清真寺，西伊萬的詳細(xì)圖案

裝飾對稱

雙向平移與上述有限群的結(jié)合產(chǎn)生了壁紙群；這些群與通過重復(fù)單個圖案在平面上鋪設(shè)瓷磚的不同方式有關(guān)。如果瓷磚是正多邊形，它們只能是等邊三角形、正方形或六邊形；后者最美麗的例子可以在撒馬爾罕的烏魯格·貝格學(xué)校（madrasaa 是一所伊斯蘭教學(xué)院，不僅教授神學(xué)，還教授文學(xué)、詩歌和科學(xué)）中找到，該學(xué)校建于公元 1420 年。鏤空的磚砌欄桿（圖 27）確實(shí)是一位革命王子的創(chuàng)意，因?yàn)樗〈送ǔ５母叽髨?jiān)固的墻壁，使人無法看到里面或外面的情況：它的建筑功能是使學(xué)者們與喧鬧的市場保持某種程度的隔離，同時在精英階層和人民之間保持某種象征性的社會聯(lián)系。

圖27 從撒馬爾罕（烏茲別克斯坦）Ulugh Beg 伊斯蘭學(xué)校（建于公元 1420 年）的開放式磚砌結(jié)構(gòu)中看到的 Shir Dor 伊斯蘭學(xué)校（建于公元 1636 年）。

不要以為這是這座宗教學(xué)校中唯一具有幾何趣味的物品：在室內(nèi)墻壁上工作的藝術(shù)家們對裝飾性幾何有著深刻的理解，他們創(chuàng)造出了不同規(guī)則形狀的排列方式，這些形狀都不能單獨(dú)用來鋪貼平面，但如果將它們組合在一起，形成一個可以向兩個方向轉(zhuǎn)換的圖案，就能起到鋪貼平面的作用：這一點(diǎn)在圖 19 和 19b 中已經(jīng)有所體現(xiàn)。在圖 19a 和 19b 中已經(jīng)可以看到這一點(diǎn)。我們在一個伊旺的內(nèi)壁上發(fā)現(xiàn)了一個很好的例子，其基本圖案是由五邊形、六邊形和正三角形組合而成的，正三角形里面還有七邊形（圖 28b）！

圖28. a，上圖）烏魯格·貝格及其天文小組的雕像，撒馬爾罕（烏茲別克斯坦）烏魯格·貝格學(xué)校；b，右圖）拼塊細(xì)節(jié)，伊萬內(nèi)墻

盡管在純粹的宗教紀(jì)念碑中使用了非常復(fù)雜的傾斜結(jié)構(gòu)，但很難讓人相信這些作品與親王對天文學(xué)和數(shù)學(xué)的深刻理解毫無關(guān)系。很難相信這些作品與王子對天文學(xué)和數(shù)學(xué)的深刻理解毫無關(guān)系： 烏魯克·貝格（Ulugh Beg，1393-1449 年）是帖木兒·冷（Timur-Leng）的孫子，他致力于科學(xué)事業(yè)，1409-1447 年擔(dān)任撒馬爾罕總督期間，他設(shè)法獲得了建造天文臺的資金，安排了宗教學(xué)校的建設(shè)，并召集了一支由70名天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)在天文臺工作！在這些杰出的學(xué)者中，有天文學(xué)家卡迪·扎達(dá)·魯米（Qadi-Zada-al-Rumi，1364-1436 年）和數(shù)學(xué)家阿爾·卡希（Al-Kashi，1380-1450 年），后者可被視為著名的逐次逼近法之父。他設(shè)計(jì)了這種方法來計(jì)算正弦 (1°)，精確到十分之一位，比開普勒（1618 年）早了約 200 年。六百年后的今天，這種方法仍然是計(jì)算天文學(xué)中或多或少復(fù)雜方程的根的標(biāo)準(zhǔn)方法。

密鋪法可能有一個基于正方形的底層網(wǎng)格，但這并不意味著固定一個點(diǎn)的變換子群必須是正方形的對稱群，即D4。如，在圖29 a、b中，布拉那塔的盲拱(見圖18)僅顯示了旋轉(zhuǎn)和平移不變性，沒有任何反射:如果我們將圖29b中的紅點(diǎn)視為基本正方形的角，則使其保持不變的對稱是R4群。

圖29 a） 布拉納塔的盲拱門（吉爾吉斯共和國）；b） 磚飾細(xì)節(jié)

雖然布拉納塔不在波斯境內(nèi)，但它的磚砌結(jié)構(gòu)是公元1000年左右中亞伊斯蘭教的典型特征。例如，與布哈拉薩曼王朝陵墓的磚砌圖案相比，其受波斯影響的程度顯而易見。這些對稱圖案與外爾的圖 66 [1952: 114] 中的“mauresque”圖案相差無幾，具有相同的不變?nèi)海诒诩埲豪碚撝斜唤?jīng)典地命名為p4。

在莫臥兒王朝的古跡中，可以看到許多此類圖案的組合，例如阿格拉附近的阿克巴陵墓（建于公元 1613 年），其總體規(guī)劃和裝飾都很容易辨認(rèn)出波斯風(fēng)格的影響（圖 30）。在這里，藝術(shù)家將對幾何圖形的喜好與對自然和花卉的喜好融為一體。正如外爾（Weyl）[1952: 58]所指出的，花卉經(jīng)常具有5或6次旋轉(zhuǎn)對稱性！仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，D5、D6 和 R6 在局部都有出現(xiàn)。請看花瓣的輕微旋轉(zhuǎn)！注意平移時的垂直不變性。

圖30 錫克安德拉（印度阿格拉附近）的阿克巴陵墓

另一個例子是舉世聞名的阿格拉泰姬陵，它反映了帖木兒王朝陵墓的影響；據(jù)說其首席建筑師烏斯塔德·艾哈邁德·拉哈里是波斯人。

最后一個例子是諾·貢巴德（No-Gonbad）附近的商隊(duì)客棧（圖 31），在這里我們可以看到轉(zhuǎn)譯和對稱，以及角樓周圍纏繞的圖案。請注意，塔樓頂部的“箭頭”是根據(jù)穿過大門的（虛擬）垂直面的平面反射而指向的。

圖31. 伊朗亞茲德至伊斯法罕公路上的 No-Gonbad

規(guī)模變化

在談到三維空間和相似群時，赫爾曼·外爾不再提及建筑，而是大自然的作品、花朵和貝殼。不過，建筑中也有這樣的例子：建于公元1778年的中國新疆吐魯番艾明尖塔就是一個很好的磚砌例子（圖 32）。它的圓錐形通過一組連續(xù)的相似點(diǎn)來確保其不變性（這些相似點(diǎn)的共同中心是一個虛擬點(diǎn)，即圓錐的頂點(diǎn)；塔樓只是圓錐頂點(diǎn)的截?cái)嗖糠郑u砌突起物在其上形成圓錐螺旋形。與塔的垂直軸似乎有一個恒定的角度，建筑師注意保持這個角度。這是螺旋線的基本特性，每個系列都通過離散的子群保持不變--一個在右轉(zhuǎn)時增長，另一個在左轉(zhuǎn)時增長。

圖32 中國新疆吐魯番艾明尖塔的兩幅視圖

從幾何到抽象群

當(dāng)然，我們不會在古波斯的道路上找到與外爾書中最后一章提到的主題之一--群論在相對論或量子力學(xué)中的應(yīng)用--的任何聯(lián)系。我們也找不到發(fā)生在2.0世紀(jì)的群論本身的非凡發(fā)展。在外爾于1955年逝世后的30多年里，有限群分類的斗爭才告一段落。然而，外爾的最后一個課題伽羅瓦理論與外爾有著精神上的聯(lián)系，因?yàn)樗婕按鷶?shù)方程的可解性：別忘了，為了說明波斯的這些對稱群，我們曾在代數(shù)學(xué)的故鄉(xiāng)--來自花剌子模的代數(shù)學(xué)之父阿赫瓦里茲米（al-Khwarizmi，公元780-850年）的故鄉(xiāng)，以及來自呼羅珊的尼沙布爾的奧馬爾·海亞姆（Omar Khayyam，公元 1048-1131 年）的故鄉(xiāng)--旅行過。歐瑪爾·海亞姆是第一個嘗試解三次方程（即三度方程）的人。

但是，盡管看起來很不尋常，我們卻在波斯遇到了對稱性科學(xué)的重大最新進(jìn)展。外爾的最后一章題為 "晶體，對稱的一般概念"。在他的著作出版30年后，1982年，人們發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體。2011 年，也就是30年后，丹·謝赫特曼（Dan Shechtman）因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾化學(xué)獎。準(zhǔn)晶體的生長可以用彭羅斯密鋪（Penrose tilings，1976 年）來建模，即沒有任何平移不變性的結(jié)構(gòu)化平面圖。這些拼塊使用有限數(shù)量的拼塊形狀，包括五邊形和十邊形。只要想想一個頂點(diǎn)上的角度之和，就可以很容易地證明，沒有一種規(guī)則的拼塊只能使用這種拼塊。現(xiàn)在，最令人吃驚的事實(shí)來了：幾位研究人員（首先是馬科維奇[1992]和博納[2003]，后來是彼得·盧和彼得·斯坦哈特[2007]）在中世紀(jì)伊斯蘭建筑遺跡中發(fā)現(xiàn)了這種拼塊的圖像（稍作調(diào)整），最早可追溯到馬拉加的貢巴德·卡布德（Gonbad-e Kabud）（12 世紀(jì)）；最常被引用的是后來的伊朗伊斯法罕 Darb-i-Imam 神殿（圖 33）（1453 年）！

圖33 伊朗伊斯法罕的 Darb-i-Imam 神殿。

結(jié)論

外爾的目標(biāo)是向讀者展示，文明史與科學(xué)和對稱性研究的最新進(jìn)展之間存在著某種隱秘而深刻的聯(lián)系。在我們這個高度專業(yè)化研究和知識分門別類的時代，科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者與歷史、藝術(shù)和建筑領(lǐng)域的學(xué)者之間的互動在統(tǒng)計(jì)上仍然是個例外；毫無疑問，不僅普通大眾不知道它們，就連選定的讀者也很難想象它們。外爾是極少數(shù)試圖在數(shù)學(xué)家和普通人之間架起橋梁的人之一，這一使命必須繼續(xù)下去。去波斯旅行是與外爾著作的精神保持聯(lián)系的一種輕松愉快的方式，因此，讓我們希望那些研究群論的人會想去發(fā)現(xiàn)波斯的建筑，而波斯的游客會渴望對群論有一個基本的了解！

附錄： 關(guān)于群

群的誕生簡史

最早提出群的是拉格朗日（1770 年）、柯西（1815 年）和伽羅瓦（1830 年）。他們都關(guān)注五階及五階以上代數(shù)方程。他們開始研究多項(xiàng)式根的排列組合，而伽羅瓦是第一個把解這類方程的明確公式的存在與排列組合群的研究聯(lián)系起來的人。值得注意的是，盡管伽羅瓦的解法很精彩，但卻很乏味，他并沒有給出 “群”（group）一詞的精確定義，直到凱雷（1854 年）才給出了這一定義。

理解群論的另一個來源是對幾何變換的研究，主要由克萊因（1870 年）負(fù)責(zé)。

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[Wallpaper Groups]: http://en.wikipedia.org/wiki/Wallpaper_group#cite_ref-0

[Wallpaper Groups]: http://www.clarku.edu/~djoyce/wallpaper/index.html

最后照例放些跟張大少有關(guān)的圖書鏈接。

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