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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 《阿基米德的报复》第五章  制作复活节大彩蛋
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul 31 18:09:02 2002) , 转信

第二篇  形状
第五章  制作复活节大彩蛋



　　人类在发明车辆、使用金属、创造文字之前就具备初步的数学知识。史前的
人工制品表明人类早期借助于计数棒上的刻痕进行计算。例如：在捷克斯洛伐克
出土的一根3万年前的狼骨上面，刻有55道深深的刻痕，5道刻痕为一组。早在埃
及和美索不达米亚的古文化时期，人们就懂得几何学和算术，虽然现存的文物史
料很不完备，不足以说明当时人们掌握这些知识的程度。亚里士多德认为，埃及
僧侣们在闲暇时间里致力于研究，从而发展了几何学。但是希腊的历史学家希罗
多德则认为，几何学能在埃及发展起来完全是出于需要。尼罗河每年泛滥的洪水
淹没了沿河流域的大片农田，冲毁了农田地标。埃及人每年都要重新测量土地，
需要掌握角度、方向和长度等方面的知识。无疑，建造埃及的大金字塔也需要几
何学知识。


　　大多数古代文化和原始文化表明，当时人们似乎对几何图形有所了解。当然
，可能人类天生就有完整的图形概念。甚至“把妻子错认为帽子的人”——一位
患有精神病、不能辨认人和物的音乐家奥利弗·萨克斯——却能识别几何形状
。几何学作为数学的一个学科，今天仍然保持其活力，几何学家们仍在最简单的
几何图形中有所发现。第五章 制作复活节大彩蛋




　　凯·麦肯齐是加拿大艾伯塔省韦格勒维尔镇的一位议员，当她谈论起计划在
镇里的一片荒地上建造一个3层半楼高的复活节彩蛋时说：“这是我所想到的最
好的主意。”该镇位于埃德蒙顿市以东55英里，是一个寂静的乡镇。荒地对面是
一家私人疗养院，这里经常受到龙卷风的袭击。韦格勒维尔镇的5，000居民大部
分是乌克兰人，但麦肯齐本人不是。他们仍然保持着油画《皮桑基》里的基督教
复活节的2，000年老传统，用鲜艳的颜色给鸡蛋绘出复杂的图案。1974年，为了
庆祝加拿大皇家骑警队成立100周年，加拿大政府决定拨专款筹办庆祝活动。为
什么不做一个巨大的彩蛋呢？麦肯齐想。鸡蛋象征骑警队为世代居住在韦格勒维
尔镇的乌克兰人带来和平与安全。

　　起初，麦肯齐的镇公所的同事们认为这事很可笑，但她还是说服他们接受了
做彩蛋这一建议。他们猜测，拨款委员会在审查无数项建议，如有马背上的骑警、
仰首高歌的加拿大鹅和金黄色的枫叶等雕像之后，会接受这一独具匠心的提议的
。事实上，提交的许多建议都极其普通，毫无希望。也有许多关于整修老建筑物
的提议，就连挂在墙上颂扬骑警的徽章也是事后才提出的。最后，韦格勒维尔镇
收到地方商会提供的15，000美元的专款，于是立即寻找制造彩蛋的人。

　　镇领导邀请一位受人尊敬的本地建筑师来制造世界上最大的装饰彩蛋，他也
认为这事太可笑。几个月后，镇领导又请来这位建筑师检查其工作进展。他报告
说，他认为是在哄骗他，所以他什么工作也没有做。镇领导又请了另一位建筑师
，他觉得更可笑。在与6家设计公司商谈之后，镇领导与罗纳德·戴尔·雷施先
生取得联系，他35岁，是美国犹他大学计算机学科副教授。雷施回忆说：

　　“起初，我也认为这事很可笑，但是，当他们最终交给我这项工作时，我有
一年半的时间不再笑了。”

　　雷施所面临的问题是，有史以来，除了鸡能产蛋之外，还没有任何人制作过
蛋形物，而且生物学家也不十分清楚鸡是如何制造蛋的。根据可以信赖的《大不
列颠百科全书》收载，鸡每年大约产蛋3，900亿次。但家鸡，要生成一个完整的
蛋大约需要24小时，开始时在鸡卵巢中形成蛋黄（卵细胞），初期的鸡蛋黄开始
进行漫长旅行，走走停停、缓慢地通过输卵管。输卵管是一条从卵巢通到产道的
管形通道。最初，鸡蛋停止不动3个小时，吸收从输卵管壁细胞中分泌出来的白
蛋白（蛋白）。而后鸡蛋前进到输卵管的某一段，在那里停留1个小时，接受卵
膜，成为蛋壳的内膜。最后，鸡蛋移向子宫，在那里停留24小时，积聚白垩质堆
积物，这些堆积物硬化后成为蛋壳。至此，鸡蛋总是以较细的一端在前移动，但
是在其产出之前半小时，它会急速翻转，所以在产蛋时，鸡蛋是粗端先产出来的
。

　　最初，鸡蛋是液体结构。在没有外力作用时，它是圆球形的，这种形状与其
他物体的接触面最少。设有一定量的液体，在所有可容纳此液体的形状中，球形
的表面积最小。雕鸮与翠鸟所产的蛋实际上都是接近球形的，但是大多数鸟蛋都
类似于鸡蛋，都是椭球形的，这是由于输卵管肌肉收缩挤压着把蛋向前推，从而
改变了鸟蛋的球形形状。

　　事实上，所有形状本质上都具有某种功能，无疑，即使科学至今尚未证实形
状的具体功能是什么，而蛋的形状也不例外。也许，这与蛋类的滚动有关。如果
鸡蛋都是球形的，那么它们容易滚走。某些海鸟，如栖居在北部海域的一种海
雀——嘴又细又长的海鸠，所产的蛋比起鸡蛋来，更不像球形。海鸠蛋的形状很
像一只陀螺，其动力学结构使之滚动时不会直线滚走，而是紧绕着环形滚动。与
筑巢鸟相比，海鸠就像一个冒失鬼，它摈弃鸟巢，把陀螺形的鸟蛋直接产在海岸
边光滑的悬崖边缘上，这是海鸠的幸运。

　　鸡蛋和许多其他鸟蛋都是一端比另一端粗些，这就是说蛋类能够在巢内紧密
地堆放在一起，可比球形蛋堆放得要多。美国伯洛伊特学院鸟类学家乔尔·卡尔·
韦尔蒂写道：“如果双胸斑沙》鸻（北美鸻科鸟一种小水鸟，以其悲哀、尖刺的
叫声而闻名）的巢里4个鸟蛋排放混乱的话，母鸟就会将其细端朝内重新排列好
蛋，非常像一块块薄馅饼，这不仅使亲鸟能更好地覆盖鸟蛋，而且由于其密集的
排列使鸟蛋从鸟体上得到的热量散失得比较缓慢。

　　也许，蛋类的形状还有助于增加强度。它毕竟需要在巢亲鸟的体重压力下不
至于破裂。我们已经知道蛋的大小与蛋壳的厚薄度，鸡蛋的强度是蛋中比较强的
，但它还不是非常强的，还不能像传说中所说的，能在大力士手中纵向紧握挤压
下幸存下来。也许这位神话中的大力士能把一本电话号码簿撕成两半，（传说中
的鸟蛋强度已被最新的广告用来招徕顾客，广告图片描绘了一个C形铁钳钳住的
没有破裂的鸡蛋。）实际上，你也不会是一个只用单手打破鸡蛋的男子汉；而我
在6岁时就曾用一只小脏手打破过鸡蛋。可见，科学是进步了，但厨房的地板却
一塌糊涂。

　　雷施说道：“如果一位壮汉在鸡蛋表面上均匀施加压力，他将不能压破鸡蛋
。这在理论上可能是正确的。然而实际上，没有一个人能够均匀地施加压力，总
会在某点上大于另一点，因而鸡蛋就会破裂。在许多教科书中，人们总想说明，
若在一大堆鸡蛋的上下铺些灰泥，大象站在上面，也不会压碎它们。这也只能说
明任何一种结构的真实性：如果你能正确地施力，那么结构就能承受。而在现实
世界中，却从来没有正确施力的。”

　　对此，雷施考虑，怎样工作才能使他从理论上和在实际中都成为一位理想的
制作复活节彩蛋的人，他可以从图纸上的设计中看到那个高达31英尺、重达2吨
半、像纪念碑一样庞大的复活节彩蛋。雷施的生活中有一句简单的座右铭“志在
四方”。有时，他会离开美国几个月，到印度去思考，有时，他会在大学或研究
中心附近开设商店，并从事他的几何图形艺术和计算机图形学研究工作。然而在
大部分时间内，他都是到处走动，受聘于那些在几何设计方面需要帮助解决各种
棘手问题的人，如他在韦格勒维尔镇的朋友们。由于雷施在数学或工程方面没有
经过正式的培训，因此他所依靠的主要不是分析方法，而是靠他头脑中形成几何
抽象概念的能力，然后用他自己的双手（目前则是用他的计算机打印机），把这
种思维的抽象概念转化成为物理实体。

　　他曾为设在弗吉尼亚州的美国国家航空航天局的兰利研究中心设计过预制的
航天飞机舱室组件。这些组件能够紧紧地装在运载它们进入太空的航天飞机载货
架上，在太空展开后可以连接在一起，形成巨大的太空站结构。影片剧本《星际
旅行》的制片人曾雇用他设计一种外星飞船的嘴；制片人告诉他，要把嘴设计成
貌似器官而且具有高科技的特点，他终于设计出这种神秘太空飞船的技术嘴，能
够在其飞行途中吞没一切东西，包括星际飞船“企业号”在内。他也为荷兰的一
家多国包装设计联合大型企业——范利尔皇家包装工业公司设计出一种高效的装
箱方法，可把类似苹果和李子等球形水果更多地装入条板箱内。

　　找出一种最密集地堆积各种不同几何状物体的方法，是数学中一个古老的问
题，它曾引起过许许多多的争论。例如 1694年，伊萨克·牛顿就曾与牛津的天
文学家戴维·格列高里进行过关于球形问题的争论，所有一样大小的球形，能够
与任何一个同样大小的球形接触，其最多数目是多少，格列高里说是13个，而牛
顿却认为是12个。这个问题的讨论持续了180年，最后证明牛顿是正确的。

　　在第十三个球形的周围放置12个球形，是已知的最密集堆积球形方法中的秘
诀。设想在类似桌面般的平面上把一串球排成直线。接着，紧靠着第一行球放上
另一行球，并使这行球落入另一行各球之间；于是任何一个球都会与另一行的两
球接触。放上更多行球，直到整个桌面放满为止。增加第二行球，须使它们处于
第一行各球之间的空隙处。然后在第二行球的空隙处放上球。使其形成第三行球
。如果这种层层放球方式不受桌面限制，而是放满整个空间，那么球形会占该空
间的74％。换句话说，需要浪费26％的空间。没有任何人知道是否还有更密集的
堆积方法。

　　当雷施开始为范利尔皇家包装工业公司考虑苹果和李子的包装工作时，他假
设球形水果要装在长方形的条板箱内装运，那么它们须按这两种已知的最密集排
列方法中的一种装箱。他按该方法着手进行了几个月，直到他突然想到，已知的
最密集的堆积方法是数学上假定整个宇宙都充满着球形。但是，在现实世界中，
他所涉及的只是一个很小的有限体积，一个3英尺×4英尺的条板箱。由于这种意
识，他认为自己是能够解决这个问题的，但是他却得到了重要的经验教训：世界
本身会给人以各种各样的约束，而这些约束是纸上谈兵式的推理所难以发现的
。（雷施拒绝透露他的解决方法，因为尚未获得专利权。）

　　雷施喜欢说的一句话是设计就是“设计师与环境之间的一种来回反馈”——
这也是对他自己的事业所做的描述。雷施是在美国密苏里州的独立城长大的，他
回顾了关于他参加专业体育的情况。

　　在中学时，他曾是一位获得足球、篮球和田径运动3项荣誉证书的优秀运动
员，但是当他在大学3年级时，体检时发现心脏有杂音，迫使他完全放弃了体育
。“我的双手总是好的，”雷施说道。他不再把全部精力消耗在运动场上，而是
把它引向艺术，特别是雕刻艺术，为此，他获得美国衣阿华大学的奖学金。

　　昔日在衣阿华大学时，他曾学习过工业设计，并一直在那里读书，直到1966
年获得了大学主修课目的学位。但是，由于他在工程方面没有经过技术训练，因
此不能在工业方面得到一份工作。雷施回忆说：“各类公司无不对我加以非难，
因为我未修任何一门数学课程。当时，人们认定我一钱不值，而我也无可奈何
。然而，今天我觉得我应该辩白。我能够制作东西，不像学校正在造就的那些聪
明的傻瓜，他们身为工程师，能够理解所有抽象化概念，但却不能制作螺母和螺
栓。使我感到高兴的是，现代的几何图形的设计，是在物理学、化学和计算机科
学领域学科做出重大成就的关键。”

　　雷施的设计方法是采用一些基本的、最小的图形、同时探讨可以变换成为比
较复杂结构的所有方法。“我已经从事一种职业，”雷施说道，“一种研究最简
单的形式，即一张纸的职业。”并且探求以各种各样的方式弯曲和折叠一张纸时
会出现什么样的形状。雷施接着说：“它不是折纸艺术，目的在于产生一种可以
认识的形状。我所感兴趣的只足创造一种有规则的、积木式的形状。”而且，他
已经这样做了——有些工作可以说是多余的。整整20多年，他已经把许多单片形
式（纸张、铝箔和其他材料）变换成为可展示某种图案或规则结构的三维形式
。他曾经在一些艺术陈列馆内展出许多较有意义的作品，而且他相信，沿着这条
道路走下去，某些作品可以获得专利权，然而他不能证明，用单张纸折叠成为重
复图案的所有可能的方法。

　　雷施还说道：“我承接了制作复活节彩蛋的工程项目，因为我认为它不难
。当时，我刚好用纸折成了圆顶形结构的图样。这种结构看来很像鸡蛋的一端，
因此我认为，我可以制作出两个这样的圆顶形结构，并在它们之间放置一个鼓起
的圆桶，再把三者连接在一起。”那么，它就会立即成为一个复活节彩蛋。雷施
已经开发出一种计算机程序，可对折叠纸的结构进行模拟，因此他认为，只要稍
加修正，它就可以模拟鸡蛋。雷施回忆说：“当我承接这项工作时，我曾以为，
在人类历史上，一定有人研究过理想鸡蛋的数学。”他指望，通过对鸡蛋数学与
他的几何学模拟加以比较，能够分析判断出这项模拟令人满意的程度。

　　然而，雷施很快发现，在文献中没有关于鸡蛋的理想公式。对于许多已有名
称的形状，文献中不仅含有代数式，而且还有作图的方法。以圆形为例，它很简
单，是一平面上所有与该平面内某点等距离的各点集合。要作一个圆，可把一根
细线的一端环绕系在一支铅笔上，另一端用图钉固定在一张纸上。绷紧细线，并
使铅笔直立在纸上，环绕着图钉转动铅笔，结果就画出一圆形。在某一点上，扭
转摆动甚至能使这个简单作图过程成为人们的笑料，在这个问题上，我曾从数学
家马丁·加德纳那里听到：“妈妈，妈妈，为什么我总是绕着圆形走？”“闭嘴
，孩子，不然我把你的另一只脚也钉死在地板上。”


　　从圆形到球形则是很容易的一步，想象把孩子的一只脚（或者细线的一端
）钉死在三维空间中的一点上，然后沿四面八方转动小孩挺直的身体（或者绷紧
的细线端上的铅笔），观察小孩头部（或者铅笔尖）所画出轨迹的形状，换句话
说，你可以把球形看成是急速旋转圆形所扫过的形状。

　　当然，鸡蛋更接近于椭球形（它是急速旋转椭圆形所扫过的形状），而不是
球形。即使是疯狂的数学家也不可能用快速旋转小孩的方法产生出一个椭圆形，
但是，利用一支铅笔和一根用图钉固定其两端的松弛细线，就能很容易地画出椭
圆形。


　　鸡蛋不同于椭圆形，其一端比另一端粗些，但是，这种不对称性并不意味着
它不能用数学式表示。的确，这要回溯到17世纪，法国学者雷内·笛卡尔（“我
思故我在”）就曾探索过卵形曲线的代数式。两个世纪以后苏格兰的数学物理学
家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，继续进行笛卡尔的工作，扩大了他的研究成果，
麦克斯韦曾以他的定量证明电与磁属于同一种现象而出名。当时，麦克斯韦只有
15岁，他曾向苏格兰早期科学协会——爱丁堡皇家学会递交一篇关于卵形的论文
。论文是被热情接受了，但是，令人敬畏的学会却拒绝让这位小人物就这个论题
向他们说教，从而错过了一个引人注目的场面，即用铅笔、细线、图钉并以小小
的技巧就能画出卵形曲线图。

　　雷施的主要问题是，虽然你曾见过一个鸡蛋，可是你却未曾见过所有的鸡蛋
。鸡蛋在形状上都略有不同，他有责任辨明鸡蛋的理想形式。经过一个时期的挫
折之后，他同农业部联系，并收到了一本鸡蛋分级手册。“我认为，”雷施说道
，“手册里肯定有鸡蛋的定义。然而我发现，它全部是标明A、AA、B和BB的图片
。最后，我终于归结出一个可似称为理想鸡蛋的形象。于是，我给它拍成照片，
然后在我的计算机程序中把它数字化。”雷施和两名研究生昼夜工作了6个多月
，想把折叠纸结构转变成为一个蛋形物。可是，所得到的结果都被否定了。“我
们不知道错在哪里，是计算机程序有误呢，还是几何图形不对，或是数学计算出
了差错？”

类卵形的作图



　　将细长线的一端固定在B点上，然后两次环绕铅笔和一次环绕A点的图钉。最
后把另一端系在铅笔上。绷紧细线，就可以画出卵形的上半部。而后倒转细线和
铅笔组合，就可以画出卵形的下半部。

　　雷施抛开他的计算机程序，把曾经为他很好地服务了20多年的折叠纸技术搁
置一边，再整个从头开始。他的方案是，把复活节彩蛋处理成好像一种三维的拼
图玩具，由许多平面砖以微小的角度变化连接在一起，拼成彩蛋，从理论上讲，
拼图的平面砖可以有各种不同的构型，而达到预期的目的，然而，雷施所需要的
不仅是数学上的解法。雷施所用的平面砖必须进行加工，出于经济上的考虑，重
要的是那么多的平面砖在形状和大小上应尽可能地一样；那样就可以出自同一模
子了。

　　在二维中，用瓷砖拼成棋盘格子状，图形的平面完全由平面砖（直线形的
）不重叠地覆盖着，这种图形历史悠久，而且丰富多采。早在3世纪时，亚历山
德里亚的天文学家帕普斯就对蜂巢的几何结构感到惊奇，这种结构已被认为是蜜
蜂在建造六角形（六边形）巢室时具有的“某种几何学上的深谋远虑”。在蜂巢
中，由六角形镶嵌的平面可以节省蜂蜡，因为两个巢室可以共用一个巢壁。而且
，帕普斯认为它的绝妙处还在于没有外来物质能够进入（蜂巢室）间隙中，从而
不会弄脏（蜜蜂）酿出的蜜。帕普斯还观察到，除了正六角形之外，在正多边形
中（所有边、角相等的直线图形），只有正方形和等边三角形可以角对角地贴面
铺在平面上，然而，对于蜜蜂来说，六角形的优点，是因为它在一定的周长内能
够包容最大的面积。换句话说，在这3种等边图形中，只有正六角形才能以最少
的蜂蜡消耗装进最大数量的蜂蜜。

　　我们容易相信，帕普斯并没有忽略任何一种可以在平面上贴砖的正多边形
。关键条件是这些多边形能够排满一个顶点周围的空隙。要做到这一点，分别需
要有6块正三角形面砖、4块正方形面砖和3块正六角形面砖。这3种多边形能够包
围着一个顶点，是因为他们的内角（三角形为60°，正方形为90°和六角形为
120°）能够除尽360°。其他的正多边形则不具有这种性质。例如正五边形，其
内角为108°，所以在一个顶点周围铺贴3块正五角形面砖，平面上尚留有36°未
能贴满。

六角形蜂房的优点：在所有二维图形中，给予一定的周长后，圆形含有最大的面
积。但是它不适合于蜜蜂的巢室，因为在各个圆形之间，将有许多空隙浪费掉
。六角形的另一种优点则来自它们的共用邻边。6个外围的六角形可以产生一个
“免费”的内六角形，因为内六角形的每边都是共用的，然而 6个外围圆形却不
能产生一个“免费”的内圆形，因为这些圆形没有共用的圆周，所以内圆形必须
另行绘出。由6个外围六角形的共用邻边所形成的“节约”，则更为微妙。6个外
围六角形仅由5个六角形的周边长度构成。7个圆形是的的确确的7个圆形，而5个
六角形实际上可以形成7个六角形。




三种规则面砖的贴砖



　　如果放宽要求，那么可以在贴砖中使用一种以上的正多边形面砖，但所有的
顶点都应该一致（即在顺序方面，贴在任何一个顶点周围的正多边形面砖都要与
任何其他顶点一样），因而还可能有另外的8种贴砖方式。无论你是喜欢用数学
的分析方法，或是喜欢从经验上的判断，既可以通过纸上谈兵式的分析，也可以
通过对浴室地板花样的综合调查，你会相信，不可能还有其他的贴砖方式。

　　到现在为止，我们所论述的贴砖方式全都是规律性的，它们都像壁纸那样，
是重复的。每一种贴砖方式都含有一块“籽砖”，即贴砖中的最小单元，从总体
上看，贴砖都是它的多次复制。如果你有一块籽砖的橡皮图章，那么你可以重复
地使用它，只要上下或左右地移动，不需要转动它，就能做出整个贴面。在只由
一种正多边形面砖（正三角形、正方形和正六角形）组成的3种贴砖方式中，籽
砖显然是正多边形本身；蜂巢式的贴砖是由一个正六角形产生的。方形的贴砖是
由一个正方形产生的，而三角形的贴砖则是由一个等边三角形产生的。荷兰艺术
家 M.C.埃歇尔就是以他的规律性贴砖方式而著名，他的贴砖通常都不是正多边
形，而是这类或那类的动物。

贴砖的要求



　　至于非规律性的贴砖方式，则不复杂。画出一张方形贴砖图。设想把每块方
形面砖沿其对角线分为两个直角三角形。可以由你决定沿哪条对角线把每块方形
面砖分开，但是所有方形面砖的分开方法则应使其直角三角形的整体贴砖方式形
成非规律性的。这种非规律性的贴砖方式不能再简单了：它只由一种面砖——直
角三角形面砖组成，而且，即使它不具有籽砖，从某种意义上讲，也仍然可以断
定，三角形组成方形。


使用一种以上正多边形面砖的贴砖方法



　　无须费力，就能把这种非规律性贴砖方式中的直角三角形重新排列成为周期
性贴砖。要做到这一点，一种简单的方法，就是在每两块面砖组成的方形贴砖中
，把对角线从左上角到右下角的那些方形移动90度。这样就可使所有的对角线方
向一致，而籽砖就成了组成任何方形贴砖的两块直角三角形面砖了。


非规律性贴砖方法



　　非规律性的贴砖方式也可以由任何数量的不同种类面砖贴成。这种数量上的
不受限制，使得非规律性贴砖方式可供那些在几何图形上喜欢附庸风雅，希望浴
室地板花样独特的人选用。要用两种面砖贴成非规律性贴砖，我们还得从方形面
砖开始，然而，我们不是把它们沿对角线分开，而是在每块方形面砖的西北角或
东南角刻出一条三角形刻痕。像前面一例的，我们选择的是没有图案的两角，而
所有的刻痕则是同样尺寸的。其结果是非规律性贴砖方式都由直角三角形与不规
则的五角形组成。而且，这些面砖也可重新排列成为规律性式样，比方说，把每
一块东南角有三角形刻痕的面砖取出，并把它们转动180度。


规律性贴砖方法




两种面砖的非规律性贴砖方法



面砖的规律性贴砖方法



　　早在60年代初期，数学家们就认为，在至少以两种不同形状面砖为基础的任
何非规律性贴砖方式中，必定存在一种用相同形状的面砖（或这两种不同形状面
砖的子集）排列而成的规律性贴砖方式，然而他们还不能对此加以证明。1964年
，哈佛大学的一名研究生岁伯特·伯杰论证了这种看法是错误的。10年以后，正
当雷施研究复活节彩蛋时，牛津大学的理论物理学家、富有充分想象力的罗杰·
彭罗斯提出了两种新面砖，它们称为风筝和飞镖，达到需要的目的。如图中所示
，风筝和飞镖必须角与角连接在一起，但有些边则不能与其他面砖的边相接触
。在面砖上做出凸起和凹口来限制它们，以免排列成不需要的形式。


风筝和飞镖




风筝和飞镖上的突起和凹口



　　令人惊奇的是，风筝与飞镖能够以无限多的方式在平面上贴砖，其中没有一
种是规律性的，但其图案可具有高度的对称性，它们本身总是没有重复就终止了
。

　　最值得注意的是，在这些贴砖方式中，任何一种贴砖方式中的有限范围往往
是无穷尽地出现在该种特殊贴砖方式中的其他地方，也往往是无穷尽地以每隔一
个贴砖的形式出现。马丁·加德纳在《科学美国人》的封面故事人物一文（1977
年1月）——彭罗斯面砖爱好者必读——中写道：“要知道这种情况是多么的奇
妙，设想一下你生活在一个无限的平面上，它由彭罗斯的无穷无尽的贴砖方式中
的一种来镶嵌成花纹状。你可以在不断扩大的面积内，一块一块地检验你所贴好
的图案。不管你检查了多少块，总是不能确定你究竟是在哪一块贴砖上。不管你
走得多远，或分区划片地检验也无济于事，因为所有这些范围都属于一个大的有
限范围，里面所有拼图也都是准确地多次重复。当然，这对任何规律性的棋盘结
构来说都是正确的，也是无关紧要的。然而彭罗斯的世界却不是规律性的，在无
穷无尽的各种方式中，它们彼此各不相同，而且也只有在不能达到的界限处，才
能把一个与另一个区别开来。”


彭罗斯的贴砖方法



　　如果这还不足以使你兴奋的话，接着加德纳又解释了另一个值得注意的特性
，该特性由剑桥大学的数学家约翰·霍顿·康韦发现。假设你生活在某一城镇中
，它是一个任意大小的圆形区域，该城镇是彭罗斯世界中的某处。你必须走多远
才能发现一个完全相同的城镇？康韦证明了，远于你所在城镇的直径两倍处，你
都不必去尝试！而且，如果你突然要迁往彭罗斯世界的无穷无尽的任何其他处，
那么你也总是要迁往远离这座城至多直径两倍之处，那里就有与原住地相匹配的
地方，而且很可能就在至多直径一倍之处。

　　彭罗斯的宇宙论的含义也是令人大吃一惊。只要用两种简单的基本组合，或
者说原子，就能创造出数量无限的世界。所有的原子世界在任何可想象的有限范
围内都显示出惊人的规律性，然而在宇宙范围内则显出独特的不规则性。

　　尽管雷施的设计工程近于幻想——一大群复活节女郎都搬不动如此巨大的复
活节彩蛋，但是他所关心的事则很实际。他知道，在贴砖模式方面的大量数学与
建筑学文献，仅仅适用于平面，而不适用于蛋形的曲面，面对前景莫测的挑战，
他绘制了一幅卵形图，图上画有纬度线。换句话说，他想象复活节彩蛋是由许多
条形构成的，一条带叠在另一条带上，在每条带上分别贴砖。然而，对这种自然
概念的计算机模拟表明，即使每条带都很细，而且面砖的数量又很多，人们的目
光仍然会放在各条带上，而忽视整体的形状。

　　雷施放弃了带状结构，转向另一种最简单的图形结构，等边三角形结构。经
过了6个月的思考和模拟之后，雷施认为，用2，208块同样大小的等边三角形面
砖和524块三点星形面砖（等边但不是规则的六角形）就可贴成复活节彩蛋，三
点星形面砖的宽度略有不同，它根据贴在彩蛋上的位置而定。面砖连接的角度都
有变化，彩蛋中部隆起处小于1度，到末端处仅为7度。由于角度这么小，即使由
平的面砖组成，彩蛋也呈平滑弯曲状，三角形面砖是用经过阳极化处理的铝片制
成的，重量2，000磅，厚度为八分之一英寸；星形面砖的厚度则为其一半。用于
固定的内部结构重3，000磅。彩蛋的长度 25.7英尺，宽度18.3英寸。

　　雷施说道：“从未用这么大量的同样面砖贴成像彩蛋这样的三维表面。例如
，航天飞机上的隔热砖都是形状各异的。如果航天飞机的设计师已经了解我的有
关工作，或者我知道他们的问题，那么航天飞机就可以像贴彩蛋那样贴上隔热砖
。这样，他们还可以携带备用的隔热砖进入太空。”可实际上由于航天飞机上的
每块隔热砖都不同，所以它也无法携带备用隔热砖。航天飞机在高速通过大气层
时，隔热砖往往会脱落，这时要贴上一块新砖就必须进行加工。

　　雷施还说道：“当韦格勒维尔镇雇用我时，协议是由我设计复活节彩蛋，由
他们负责建造和油漆。然而，我很清楚，若不约请一家航天公司加工彩蛋面砖，
韦格勒维尔镇将无法建造彩蛋。他们肯定担负不了这项工作。所以我告诉他们，
还是由我来建造并油漆它。”

　　面砖的油漆，要在它们组装起来之前进行，此事牵扯到一些让步。该镇希望
复活节彩蛋要用色彩鲜艳的红、蓝、绿、橘黄颜色粉饰，而且期望油漆的鲜亮色
彩能够保持100年。雷施告诉他们，彩蛋使用这几种颜色油漆，每隔3－5年就要
重新油漆一次。最终选用了3种颜色——金色、银色和青铜色，这几种颜色可以
保持其光泽半个世纪。

　　在雷施开始建造彩蛋之前（要把这些面砖在内部连接在一起，而且不能看见
其连接头，为此用了6， 978只螺母和螺栓以及 177根连接到中心轴上的支杆
），镇的管理条例要求有一位土木工程师或建筑师证明该设计在结构上肯定安全
可靠。必须注意到，韦格勒维尔镇经常遭受每小时 100英里风速的飓风袭击，当
地的工程师或建筑师没有一位愿意证实，如此巨大的新奇形状在结构上具有完整
性。“人们害怕，大风可能把它刮跑，”雷施回忆说，“我也承认有些担心。在
建造彩蛋时，我成为指责的目标并受到了指责。”那时候，该工程已获得了势头
，而且镇上也完全放弃了需要证明的规定，韦格勒维尔镇的许多居民都在打赌，
所赌的不是彩蛋是否可能倒塌，而是如何倒塌（翻倒还是刮跑）以及何对倒塌
（建造时还是建造后）。

　　雷施带领一队志愿人员组装复活节彩蛋，历时6星期。他们曾经历过一次侥
幸脱险。当彩蛋的上端部分组装完毕并安装在中心轴的顶端上时，它看来很像一
把巨伞。这时空中狂风暴雨肆虐，龙卷风席卷而下。雷施及其伙伴花费整夜时间
，把这个伞形结构转向顺风，使它不会被风刮走。

　　这座复活节彩蛋不仅要顶住自然力量，而且还要面对人们的愤怒。建造彩蛋
劳累了一天以后，雷施会累得躺倒在当地一家旅馆中，他听到人们窃窃私语，计
划要炸掉彩蛋。他也曾几次接到警告：中学的孩子们声称要炸毁彩蛋。雷施终于
弄明白了，在他到达韦格勒维尔镇之前的一段时间内，报纸曾经传播谎言，说镇
里把用于建造中学游泳池的经费挪去建造复活节彩蛋。“我只好四处游说，”雷
施说道，“竭力向每个人解释彩蛋款项的实际来源，而且学校会有自己的游泳池
的。没有人再想要炸掉彩蛋了，可是彩蛋确实遭受过几次来福枪射击。”

　　在复活节彩蛋完工后很长一段时间里，雷施使用计算机分析其结构的牢固性
，并得出结论，它比所需的强10倍。雷施说道：“就是全体居民被大风吹倒，复
活节彩蛋也不会。”

　　自从雷施离开韦格勒维尔镇，10年过去了。当然，该镇依然存在，而这座独
具匠心的纪念碑使韦格勒维尔镇出现在地图上（还被收载入女王伊丽莎白的加拿
大旅游指南中）。该镇惟一的委屈是这个复活节彩蛋尚未被收入《吉尼斯世界纪
录大全》之中。看来这是不公平的，加拿大艾伯塔省的另一个城镇卡尔加里镇就
曾因用20，117个鸡蛋烹调出世界上最大的煎蛋饼而载入《吉尼斯世界纪录大全
》。



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