Sűrű gömbkitöltések csősokaságok fundamentális csoportjai szerint, mint új, hiperbolikus kristálytani lehetőség

Időpont: 
2023. 10. 31. 10:30
Hely: 
H306
Előadó: 
Molnár Emil

Bolyai János abszolút geometriájának 200. évfordulójára

A szabályos testek Coxeter-Schläfli-féle W(uvwkarakterisztikus baricentrikus A0A1A2A3 = b^0b^1b^2b^3 derékszögű szimplex-szel (orthoscheme) történő jellemzése természetesen vezet a szimplex-lapszögekkel: β^01 = π/uβ^12 = π/vβ^23 = π/wβ^02 = β^03 =β^13 = π/2 történő megadásához. Például a szokásos euklideszi kockát W(4, 3, 4), a hiperbolikus, 2π/5 lapszögű kockát W(4, 3, 5) jellemzi.

Az algebra nyelvén is fogalmazva: Az A0A1A2A3 projektív koordináta szimplex V^4 valós vektorterében X(X ~ cX) "vektorsugarak" jellemzik az X = X^i⋅Ai pontokat, a b^0b^1b^2b^3 duális koordináta szimplex V^4 duális formatere jellemzi az u(u ~ uc), u b^j⋅uj síkokat. 0 = Xu = X^i⋅ui az X pont és az u sík illeszkedésének feltétele, Aib^j = δi^j (Kronekker-szimbólum). A V^4 duális tér bázisával bevezetett szimmetrikus Coxeter-Schläfli mátrix

(b^ij) := (<b^i,b^j> := (cos(π – β^ij)), β^ii = π formális skalárszorzatot értelmez éppen a lapszögek mérésére, inverze pedig:

(b^ij)^-1 := (Aik) := <AiAk> éppen a távolságok mérésére a hiperbolikus H^3 geometria Beltrami-Cayley-Klein projektív metrikus modelljében vezet be skalárszorzatot. A skalárszorzatok szignatúrája (+++–) lesz a hiperbolikus geometria jellemzője. A fenti (b^ij) szignaturája (+++0) lesz a szokásos E^3 euklideszi geometria esetében (szinguláris metrika), és persze további lehetőségek is vannak a szignatúrára.

A fentiekkel érzékeltettük, hogy a geometria (illetve bizonyos geometriák) a valós (sőt komplex) lineáris algebra apparátusával fejezhető ki, de Bolyai János abszolút geometriai szemléletével vizuálisan is követni tudjuk, számítógépes ábrákkal szemléltethetjük a viszonyokat (ezek a Thurston-féle homogén Riemann-geometriák, lásd poszterünket a H épület 2. emeleti folyosón). 

Így a krisztallográfia a "nano-világban" (1 nanométer = 10^-9 m) nem-euklideszi szemlélettel is elképzelhető és a kristálytani alkalmazások számára is lehetőséget nyújt.

A fenti W(uvw) orthoscheme u = v = w = 2z, 3 ≤ z páratlan szám esetén A0 és A3 B-C-K modellen kívüli csúcsokkal is rendelkezik. Az a0, a3 polársíkokkal levágott csonkolt orthoscheme, lapsíkjaira tükrözve, képeivel kitölti a Bolyai-Lobacsevszkij-féle hiperbolikus teret szép szabályos módon. Ez a poliéder-kitöltés anyagi részecskékkel, atomokkal, molekulákkal tölthető meg (esetleg csak lokálisan), melyeket első közelítésben egyforma gömbökkel (labdákkal) modellezhetünk. A fenti tükrözés-csoportnak alkalmas fixpontmentes részcsoportjaival kompact hiperbolikus nano-cső sokaságokat értelmezhetünk, melyek az euklideszi rácsok szerepét töltik be. Sűrű gömbkitöltések optimális (kemény) anyagokat eredményezhetnek, mint a gyémánt (vagy a kősó) euklideszi terünkben.

Az előadásban és benyújtott dolgozatunkban kezdeti, számítógépes eredményeket mutatunk be, és példákkal illusztráljuk a fentieket. Az eddigi és sejtett legsűrűbb hiperbolikus gömbkitöltés sűrűsége 0, 77... (az euklideszi legsűrűbb: a bizonyított Kepler-sejtés szerint 0,74...). A mostani rekordunk: 0,69..., de ez még, remélhetően, növekszik!