棱柱形狀的天然水晶、立方體一樣的螢石、柱狀的天然石膏、一片一片分層的天然云母，這些礦石都有著獨特的形狀結構，散發著璀璨奪目的魅力。那么它們列隊整齊的背后又有什么物理學小秘密呢？且聽中國科學院大學博士生導師、中國科學院物理所研究員曹則賢教授為君娓娓道來。

摘要

晶體具有規則的外形，來自內部原子的規則排列。晶體具有最小的重復單元，是由最小重復單元在三維空間堆積起來的，即晶體具有平移對稱性。對稱性可以用群這個數學概念來表征。平移對稱性限制了晶體重復單元只有n=1，2，3，4，6次轉軸，因此晶體只有32種點群(單胞的對稱性)。32種點群同三維空間中平移操作的組合，決定了晶體只有230種空間群。不管有多少種具體的晶體，按照對稱性分類只有230種。二維情形下，n=1，2，3，4，6次轉軸加上鏡面反映只能得到10種點群；10種點群與二維空間中的平移操作組合，只能得到17種二維空間群。遠在人類有群論知識之前，許多文明都認識到了二維晶體只有17種對稱性，反映在二維裝飾圖案，比如窗欞的設計上。

01

晶體

自然中存在許多固體，其中一些固體具有規則、美觀的外形，比如見于火山口的金剛石、水晶和硫磺等，它們被稱為晶體。 晶體具有規則的外形，如果仔細觀察，會發現其小面之間成恒定的夾角，與晶體大小無關(圖1)。

圖1. 天然晶體：金剛石、水晶和硫磺

打碎的晶體小塊中能看到許多相似的形狀，這讓人們猜測晶體具有一個最小的幾何單元，稱為單胞(unit cell), 晶體是單胞在三維空間中堆砌而成的，類似紙箱子堆滿倉庫。平行六面體(特例為正方體)，開爾文爵士的截角八面體，都能充滿整個空間(圖2)。由此而來的一個認識是，晶體具有平移對稱性，平移對稱性又決定了晶體中允許存在的轉動只有n=1，2，3，4，6次轉動這五種可能，這被稱為晶體學限制定理。作為數學的表現是，描述晶體轉動的矩陣的跡(trace of matrix)，必為整數。

這個晶體學限制定理，還有個簡單證明。考慮到晶體是原子層堆垛而成，故而只需考慮一個平面上的排列方式所允許的轉動。平面有兩個獨立方向，這注定了平行四邊形是平面上的單胞。畫兩組成一定夾角的線簇，可看到是平行四邊形的單胞鋪滿整個平面。任意改變平行四邊形的邊長比和夾角，可看出這個平面鋪排的花樣會出現哪些轉動對稱性。任意的邊長比和夾角，沒有轉動對稱性，或者只有n=1次的轉軸；夾角90°，邊長不等，對應n=2次的轉軸；夾角90°，邊長相等，對應n=4次的轉軸；夾角60°，邊長相等，對應n=6（3）次的轉軸。

圖2. 正方體和截面八面體都能充滿整個空間

平移對稱性決定了晶體中只有n=1，2，3，4，6次這五種轉動，這限制了晶體單胞所能具有的對稱性(點群)，也就限制了單胞對稱性與平移對稱性的組合(空間群)。實際的三維晶體只有32種點群，230種空間群。為了理解的方便，本篇多借助二維情形展開相關討論，而二維晶體只有10種點群，17種空間群。而且二維的空間群又叫墻紙群(wallpaper group), 會感覺特別的親切！

02

對稱性與群

對稱性操作可用群的概念描述。群的概念是研究幾何和代數方程解的時候提出來的。

若一組操作(operation，動作) 滿足如下四個條件：

1. 有一個單元操作 I (操作以后對象不變，或者是什么也沒發生)；

2. 兩個操作接連完成的效果等于這個集合里某個單一操作的效果(用群論語言，G×G∈G)

3. 操作滿足結合律 (用群論語言，gi（gjgk）=（gigj）gk)

4. 每一個操作都有逆操作 (用群論語言，總存在 gj=gi-1，gigj=gjgi=I)

這一組動作就構成一個群(group)。 其實，群就是一種特殊的集合，其元素間定義了滿足結合律的乘法，且按照這個乘法每一個元素還都有逆。對稱性操作就滿足群的定義。注意，一個群元素可以表示為一個數學對象，比如矩陣，因此群是物理學研究的重要工具。

圖3. C5對稱的雞蛋花和D3對稱的三葉草

舉例來說，圖3左圖為雞蛋花，五瓣，繞中心軸轉2π/5看不出曾有過轉動。我們說(理想的)雞蛋花具有C5對稱性，其對稱群為C5群。關于雞蛋花的對稱操作有轉動0，2π/5，4π/5，6π/5和8π/5角這五種可能，可以驗證它們滿足群的定義。 又比如圖3右圖中的三葉草，它的對稱性和正三角形是一樣，繞中心軸轉2π/3角相對于過頂點的中線作鏡面反映(σ-操作)，都看不出變化。(理想的)三葉草具有D3對稱性，其對稱群為D3群。關于三葉草的對稱操作有轉動0，2π/3，4π/3和鏡面反映σ1，σ2，σ3這六種可能，可以驗證它們滿足群的定義。

03

二維晶體的點群與空間群

二維空間里，轉動只有n=1，2，3，4，6次轉軸五種可能，這構成了C1,C2,C3,C4,C6五種點群，添加鏡面反映(其實是線反映)也各只有一種可能，? , 這構成了D1,D2,D3,D4,D6五種點群。這樣，二維點群總共就這么十種。此處使用Sch?flies記號，下同。

已知了二維點群，使其同平移對稱性結合(有時有多與一種的方式)，可以構造出二維空間群。用通俗的話來說，設想你設計平面裝飾圖案，你先在平面上劃格子(lattice)， 格子具有某種平移對稱性(平移群)，然后設計重復單元(motif)，重復單元具有某種轉動加鏡面反映的對稱性(點群)。 若重復單元與格子相匹配，就可以在每個格點上放上那個重復單元，就湊成了整幅具有某種特定對稱性(空間群)的圖案。二維空間群(墻紙群)是建筑、服裝、繪畫、材料、物理等專業工人的必備知識。

現在看二維點群與二維格子構成二維空間群的具體情況。先介紹要用到的術語，C是cyclic (循環的、轉圈的)的首字母，D是dihedral (二面的)的首字母，p是primitive (初級的)的首字母，c是centered (帶心的) 的首字母，m代表mirror (鏡面)，g代表 glide (滑移面，經這個面反映后，還移動一段距離)。空間群的記號會大致告訴你晶體的對稱性特征，比如pmg 是初級晶格+鏡面+滑移面，cmm是面心晶格(單胞是帶心的長方形)+垂直方向上的鏡面。二維空間群共17種可能，排列如下：

1) 點群C1,C2,C3,C4,C6分別對應空間群 p1, p2, p3, p4,p6；

2) 點群D1對應空間群 pm, pg, cm；

3) 點群D2對應空間群 pmm, pmg, pgg, cmm；

4) 點群D3對應空間群P31m, P3m1;

5) 點群D4對應空間群 p4m, p4g;

6) 點群D6對應空間群p6m.

圖4.空間群為pm，p4m，p31m，p6m的二維圖片

重復單元的對稱性與晶格對稱性的匹配問題，高對稱性的重復單元要求高對稱性的格子，其中，點群C3，C6，D3，D6要求六角格子，其單胞是夾角60°的菱形；C4，D4點群，要求正方格子。為了加深理解，圖4 中給出了具有空間群的花樣, 讀者可自己試試找出相應的重復單元和單胞。二維空間群只有17 種已知有幾個世紀了，它的別名——墻紙群可資為證。但其證明，或者說基于數學知識的列舉，要等到1891年由菲德羅夫(Евгра?ф Степа?нович Фёдоров, 1853-1919)才給出。

04

三維晶體的點群與空間群

三維空間依然只有平面型的轉動，即只有n=1,2,3,4,6次五種轉動，但多了一個維度，因此就擴大了轉動與鏡面反映組合的可能性。轉軸除了C 和D 的區別外， 要加入鏡面，可能是v(vertical, 豎直的，鏡面過轉軸)，也可能是d(diagonal, 對角的，鏡面過轉軸) ，還可能是h(horizontal, 水平的，鏡面垂直于轉軸 ) 。 此外，還有轉動與鏡面反映的組合S(Spiegel，德語，鏡子)，以及高對稱的T(tetrahedron, 正四面體)和O(octahedron, 正八面體)。

三維點群可列舉如下，C1,C2,C3,C4,C6共五種，加h得Cnh五種，加v得Cnv五種；D1,D2,D3,D4,D6五種，加h得Dnh五種，加d得Dnd五種，共30種。 然而，在三維空間中C1v=C1h，D1=C2，D1h=C2v，D1d=C2h， 而D4d，D6d意味著存在8-次和12-次轉軸，是不允許的。排除這6種可能，實際上得到的是24種點群。加上更復雜的組合S2，S4和S6；T, Th,Td；O, Oh, 又有8種，故總共有32種點群。

圖5. 32種三維空間點群的關系

(此處使用的是Hermann-Mauguin記號)

這32種點群，對稱性高低不同，其中Oh，O6h，O4h分別占據最高端，其它低對稱性點群是高對稱性點群的子群，如圖5。32種點群的結果，是由赫賽爾(Johann Friedrich Christian Hessel, 1796-1872)于1830年推導出來的。

32種點群與三維空間平移對稱性組合，可得到230種空間群(若不同手征的只算一種，是219種)。三維空間群由菲德羅夫和熊夫利斯(Arthur Moritz Sch?nflies，1853-1928)于 1891年獨立地列舉空間群，但各有疏漏。1892年兩人在通訊中互相校正，得到了230種正確的列表。由于內容太多，此處不一一列舉了。 有興趣的讀者，尤其是凝聚態物理類的研究生，請參閱相關專業書籍。這中間的一個關鍵步驟是，確立了三維空間的格子只有14種， 這是由布拉菲(Auguste Bravais, 1811-1863 )于1850年完成的。

所謂的布拉菲格子，是由那個根據平移能夠充滿空間的單胞(平行六面體)的形狀加以表征的。布拉菲格子，用其單胞來指代，按照點群對稱性由低到高，分別有三斜晶系/Ci一種，單斜晶系/C2h兩種(外加帶底心的)，正交晶系/D2h四種(外加帶底心的, 帶體心的，帶面心的)，四方晶系/D4h兩種(外加帶體心的)；六角晶系/D3d和/D6h各一種，以及立方晶系/Oh三種(外加帶體心的，帶面心的)，如圖6。 各種教科書內鮮有排列順序正確的圖示，甚至有把三方晶系和三斜晶系并列的圖解。順便說一句，布拉菲是群論創始人之一伽羅華在巴黎工科學校的同班同學。

圖6. 從上到下按對稱性排列的14種布拉菲格子

05

點群與空間群的再推導

點群與空間群的關系，來自晶體平移對稱性的約束。晶體的平移對稱性宣稱，若在空間某個點r(x,y,z)上有原子，存在三個線性不相關的基矢量 a1，a2，a3，在R=n1a1+n2a2+n3a3+r處(n1，n2，n3是任意整數)，必有原子。但若將該原子放到合適的格點上，公式中的r值， 以基矢量來表示，也只能是有限的幾種可能(與帶心的單胞或滑移面有關)。這個平移對稱性限制了單胞形狀的可能，也限制了點群和空間群的數目。

從數學的角度來看，晶體中的變換不改變空間中任一兩點間的距離，因此它必須是取向歐幾里得空間里的等距變換(group of isometries of an oriented Euclidean space)。因為原子是離散的，所以點群、空間群也是分立的(離散的、分立的，discrete)。空間群的一個元素，由(M, D)構成, 其作用是等距變換Y=M·X+D，M是個矩陣，M 矩陣形成一個點群；D是個矢量，由點群和點群能匹配的晶格共同決定。考慮到平移對稱性意思是R=n1a1+n2a2+n3a3+r中的n1，n2，n3是任意整數，空間群可以看作是某些整數域上的變換群。從群論出發，硬推導出三維空間的230種可能，對誰都是挑戰。熊夫利斯的導師可是大數學家庫默爾(Ernst Kummer， 1810-1893) 和威爾斯特拉斯(Karl Weierstrass， 1815-1897), 而威爾斯特拉斯可是分析學的奠基人。

2007年,David Hestenes用歐幾里得空間的共形幾何代數方法給出了二維、三維情形下晶系、點群和空間群的詳細推導。更重要的是，還給出了各個空間群的生成元。不過，追蹤過David Hestenes用幾何代數重寫整個物理學努力的人太少了。不知道將來是否有有能力對晶體學感興趣的人詳細講解這項工作。

06

多余的話

晶體學群論的工作，是由一批德國和俄羅斯科學家完成的。礦物學發祥于這兩個國家，相關的數學這兩個國家的人有能力掌握，因此由他們構造晶體群以及考慮更高維格子、更復雜motif之晶體的群(比如色群)就顯得天經地義了。他們這些工作追求的是關于物質的結構原則，結構原則同樣適用于數學—結構是數學的最高原則。Some mathematical structures show up in many different contexts, under many different guises。 推導出完整的空間群是很困難的，從32種點群于1830年由一人推導出來到230種空間群于1891-1892年由兩人才正確推導出來，這其中的難度可以想象。 可惜這些文獻多是德語和俄語的， 尤其那些珍貴的俄語文獻鮮有譯文，現在是更沒有人肯去掌握了。

還有一點難能可貴的是，德國和俄羅斯的科學家和工程師似乎有點傻傻地真心熱愛科學。一個理所當然的結果是，它們的人工晶體長得非常好。俄羅斯不僅有多種系統的晶體學教科書，他們長晶體也是最棒的。看著俄羅斯人生長的一人多高的硅單晶，令人不由得肅然起敬。

固體物理學教育在吾國已經開展多年了。然而，關于晶體結構數學的介紹，基本上還只停留在固體有32種點群、230空間群這么一句膚淺的介紹上。群論，群表示論，空間群的導出與表示，空間群在計算物理方面的應用，空間群對物質物理性質的限制，空間群對物質刺激-響應行為的限制，這些都應該成為凝聚態物理類研究生的必備知識。