【１】ケプラーの球体充填問題

　１６１１年，ケプラーは，物質を構成する粒子は体積を最小とするように自己を組織化するだろうという構成原理を考えました．そこで，粒子が球形だと仮定して，さまざまな配置の空間充填率を計算してみました．ケプラーが最初に試みたのは，それぞれの球が６個の球に囲まれるように第１層を構成し，第２層は第１層のくぼみに球を置くという積み方です．

　これは別の角度からみると，立方体の８個の頂点と６面の中心に球が配置されているところから，面心立方格子と呼ばれている配置ですが，この積み方は八百屋の店先でミカンなどの山を安定に積み上げるために使われている日常的な配置です．この場合の充填率は√２π／６（７４．０４％）になります．

　他の配置と比較してみましょう．たとえば，下の層を正方形配列としその真上に球をのせていく単純立方格子の充填率はたったπ／６（５３％）にすぎません．また，六方格子（第１層は面心立方格子と同じ正三角形配列だが，第２層は球の真上に球をのせる）の充填率は√３π／９（６０％）であり，立方体の８個の頂点と中心に球を配置した体心立方格子の充填率は√３π／８（６８％）です．こうして，さまざまな配置を調べてみたケプラーは，面心立方格子が最密充填構造であるという結論に達しました．

　面心立方格子が最も密な球の充填方法だろうという予想は４００年近く前のケプラーまでさかのぼります．日常の経験からしても，同じ大きさの球の最も効果的な配置問題は自明なものと考えてしまいがちで，直感的に面心立方格子をなす場合が最大に詰め込んだ配置のように思えます．しかしだからといって，無限にある可能性をすべてひっくるめて証明したわけではないので，これは定理ではなく予想にすぎません．ランダムな配置まで含めると，空間充填率が７４．０４％よりも引き上げられるかもしれないからです．

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［補］最密充填は正方形を基礎とする配置と六角形を基礎とする配置から作れます．３個のミカンに対して１つの窪みができるのですが，その窪みにミカンを置いたものが六方最密充填です．一方，４個のミカンに対して１つの窪みができ，その窪みにミカンを置くと面心立方充填になります．正方配置の窪みは六方配置の場合よりも深いので，この２つの配置は充填密度に関してはまったく同じなのです．

　この積み方は八百屋の店先でミカンなどの山を安定に積み上げるために使われている日常的な配置ですが，別の角度からみると，上の層の置き方に

　　(1)第１，２，３層目がすべてずれていて，第１層目の球の真上に第４層目の球がくる（ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ・・・）

　　(2)第１層目の球の真上に第３層目の球がくる（ＡＢＡＢＡＢ・・・）

という２種類があります．

　(1)は立方体の８個の頂点と６面の中心に球が配置されているところから面心立方格子と呼ばれている配置，(2)は六方最密充填ですが，いずれの場合の充填率も√２π／６（７４．０４％）になります．以上の２つ以外にも無数の配列が考えられ，たとえば，ＡＢＡＣの４層周期，ＡＢＣＡＣＢの６層周期などの積み重なりなどが見つけだされています．

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　ロジャースは「ケプラー予想が正しいことは多くの数学者が信じ，すべての物理学者が知っている」という名文句でも有名ですが，１９５８年，彼は四面体配置から空間充填率の上限を３√２（ａｒｃｃｏｓ１／３−π／３）＝７７．９６％とはじき出しました．四面体配置は，３次元で相互に接するように球を配置するときの最大数となる配置ですが，全空間を充たすことはできないので，空間充填率の上限と考えられるわけです．

　ちなみに正十二面配置では７５．４６％，正八面体では７２．０９％となるのですが，これらの正多面体も大域的な空間充填はできないのです．１９８８年には，この上限はわずかに改良され，７７．８４％よりも高密度の詰め込みは存在しないことが証明されています（ムーダー）．これを７４．０４％まで引き下げることができれば，面心立方格子が最密充填構造だという証明になるのですが，残念ながら，上限の引き下げは骨の折れる厄介なプロセスであり，遅々として進みませんでした．

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