魔方玩具（一）

发明

　　 当初厄尔诺·鲁比克教授发明魔方，仅仅是作为一种帮助学生增强空间思维能力的教学工具。但要使那些小方块可以随意转动而不散开，不仅是个机械难题，这牵涉到木制的轴心，座和榫头等。直到魔方在手时，他将魔方转了几下后，才发现如何把混乱的颜色方块复原竟是个有趣而且困难的问题。鲁比克就决心大量生产这种玩具。魔方发明后不久就风靡世界，人们发现这个小方块组成的玩意实在是奥妙无穷。
结构
　　魔方核心是一个轴，并由26个小正方体组成。包括中心方块6个，固定不动，只一面有颜色。边角方块8个(3面有色)（角块）可转动。边缘方块12个(2面有色)（棱块）亦可转动。玩具在出售时，小立方体的排列使大立方体的每一面都具有相同的颜色。当大立方体的某一面平动旋转时，其相邻的各面单一颜色便被破坏，而组成新图案立方体，再转再变化，形成每一面都由不同颜色的小方块拼成。据专家估计所有可能的图案构成约为4.3×10^19。玩法是将打乱的立方体通过转动尽快恢复成六面成单一颜色。
　　魔方总的变化数为43，252，003，274，489，856，000。或者约等于4.3X10^19。如果一秒可以转3下魔方，不计重复，需要转4542亿年，才可以转出魔方所有的变化，这个数字是目前估算宇宙年龄的大约30倍。
　　中心块：
　　中心块与中心轴连接在一起，但可以顺着轴的方向自由的转动。
　　中心块的表面为正方形，结构略呈长方体，但长方体内侧并非平面，另外中心还有一个圆柱体连接至中心轴。
　　从侧面看，中心块的内侧会有一个圆弧状的凹槽，组合后，中心块和边块上的凹槽可组成一个圆形。旋转时，边块和角块会沿着凹槽滑动。
　　边块：
　　边块的表面是两个正方形，结构类似一个长方体从立方体的一个边凸出来，这样的结构可以让边块嵌在两个中心块之间。
　　长方体表面上的弧度与中心块上的弧度相同，可以沿着滑动。立方体的内侧有缺角，组合后，中心块和边块上的凹槽可组成一个圆形。旋转时，边块和角块会沿着凹槽滑动。另外，这个缺角还被用来固定角块。
　　角块：
　　角块的表面是三个正方形，结构类似一个小立方体从立方体的一个边凸出来，这样的结构可以让角块嵌在三个边块之间。
　　与边块相同，小立方体的表面一样有弧度，可以让角块沿着凹槽旋转。
衍生品种
　　魔方品种较多，平常说的都是最常见的三阶魔方。其实，也有二阶、四阶、五阶等各种立方体魔方（目前有实物的{zg}阶为12阶魔方）。还有其它的多面体魔方，面也可以是其它多边形。如五边形十二面体：五魔方，简称五魔，英文名称：Megaminx，又称正12面体魔方、3x3x4长方体。
流行
　　魔方广为大家喜爱是在80年代。从1980年到1982年总共售出了将近200万只魔方。1981年，一个来自英国的小男孩，帕特里克·波塞特（Patrick Bossert）写了一本名叫《你也能够复原魔方》（ISBN 0140314830）的书，总共售出了将近150万本。由于魔方的巨大商机，鲁比克教授和他的合伙人一同开发了二阶和四阶魔方，这两个产品同样取得了成功。在中国，魔方是80年代最抢手的玩具，如同今天孩子们手中的掌上游戏机一样，成为青少年最喜欢的玩具。但是随着改革开放，越来越多的新奇玩具进入了中国，中国的魔方热潮也在渐渐消退。
　　不过最近几年，中国的非正式魔方社群魔方吧正在努力改变公众对于魔方的看法。魔方不仅仅是小孩子的玩具，更是一种休闲放松的方式和体育竞技形式，再加上更有刺激和挑战性的竞速、单手、盲拧魔方等玩法，越来越多的人正在重新xx魔方。
　　随着魔方种类的不断增多，竞技形式的逐步规范，魔方早已不单单作为一个玩具出现，而是已经逐步成为新型的竞技项目，更成为了一项新兴的科技活动项目！
类别
　　二阶魔方
　　二阶魔方的英文官方名字叫做Pocket Rubik's Cube或Mini Cube，中文直译叫做“口袋魔方”。它每个边有两个方块，官方版本之一魔方边长为40毫米，另外一个由东贤开发的轴型二阶魔方则为50毫米。二阶魔方的总变化数为 3,674,160 或者大约 3.67×10^6。二阶魔方（Pocket Cube）又称口袋魔方、迷你魔方、小魔方、冰块魔方 ，为2×2×2的立方体结构。本身只有8个角块，没有其他结构的方块。结构与三阶魔方相近， 可以以复原三阶魔方的公式进行复原。
　　三阶魔方
　　三阶魔方的英文官方名字叫做Rubik's Cube，也就是用鲁比克教授的名字命名的，是目前最普遍的魔方种类。它每个边有三个方块，官方版本魔方边长为57毫米，三阶魔方的总变化数是(8!x38x12!x212)/(2x2x3)=43,252,003,274,489,856,000或者约等于4.3x10^19.三阶魔方由一个连接着六个中心块的中心轴以及8个角块，12个棱块构成，当它们连接在一起的时候会形成一个整体，并且任何一面都可水平转动而不影响到其他方块。[1]
　　四阶魔方 　　四阶魔方的英文官方名字叫做Rubik's Revenge相对于三阶来说就要复杂的多，它的构成分为两类，一类中心是一个球体，每个外围的小块连接着中心球的滑轨，在运动时候会沿着用力方向在滑轨上滑动。第二类是以轴为核心的四阶魔方，其实这类四阶魔方就是隐藏中层的五阶魔方，内部的小零件即为五阶的侧心块和中棱块，中轴上有防止锁死的突起装置。作为竞速运动来说第二种构成的四阶魔方运动速度快，不易在高速转动中卡住。 4阶魔方的英文官方名字叫做Rubik's Revenge，直译过来是“魔方的复仇”。官方版本大概边长为67毫米，Mefferts版本为60毫米。四阶魔方被认为是2-5阶魔方中最不好复原的，虽然5阶魔方的变化种类比4阶多，但是4阶魔方的中心块并不固定，也就不能用一般的方法进行复原。即7,401,196,841,564,901,869,874,093,974,498,574,336,000,000,000种变化。[2]
　　五阶魔方 　　五阶魔方的构成与四阶魔方基本相同，世界上总共有三种结构的五阶魔方，即M5，R5，V5。每发明一种新的高阶魔方都要经过很长时间，因为不仅要考虑到项目的可行性，还要考虑如果将魔方作出来后能不能稳定的用于转动。正是由于这个原因，五阶魔方是官方公布的{zg}阶魔方，其结构也不是一般的爱好者可以想象出来的。
　　2008年9月14日时的走进科学节目中张腾岳也说了:"我看谁能够将复杂的五阶魔方还原至六面同色,那他智商要上200了."这里同时体现出了五阶魔方的难度.五阶魔方的英文名字叫做Professor's Cube，直译过来是“专家(玩)的魔方”，也说明了它的难度，{zh0}的魔方爱好者能在1分半钟左右就把五阶魔方复原。五阶魔方总共有8个角块、72个边块（两种类型）和54个中心块（48块可以移动，6块固定）。
　　五阶魔方的中心块为3×3结构，所以其每种颜色都有4块中心块是等价的，即中心块的变化状态为(24!(4!6))2种。其24个外侧边块的位置不能随意移动，所以总共有24!种变幻状态。12个中心边块中有11个可以互换位置，所以总共有12!/2×211种变化状态。五阶魔方的总变化状态数为