第01章 认识魔方
魔方的诞生
图1.1 鲁比克教授（右一）
魔方（原名Rubik’s Cube）诞生于1974年，是由匈牙利布达佩斯建筑学院一名教授发明，他的名字叫厄尔诺·鲁比克。
鲁比克教授在教学过程中，为了帮助他的学生更好地理解“空间转换”这个概念，制作了这样一个由很多木制小方块组成的教具，现在被我们称作“始祖魔方”。
图1.2 始祖魔方
教授在顺利完成课程之后，突发奇想，将这个教具的每个面都涂上了不同的颜色，并且转动几下之后发现：将它再还原到颜色整齐的初始状态，居然是一件非常困难的事！真正意义上的魔方从此诞生。
后来，鲁比克教授与玩具公司合作，魔方被定义为智力玩具，并于1977年正式量产问世，当年就卖出了200万个。在20世纪80年代魔方风靡全球，仅仅用了10年时间就向全世界售出了4亿多个。有一种流行的说法是，目前为止全世界70%的人都曾经接触过魔方。
图1.3 鲁比克魔方
图1.4 一起玩魔方的孩子们
魔方的结构
大家可能见到过很多不同形态、种类、颜色的魔方，我们通常所说的魔方是指“三阶魔方”，就是这种3x3x3立方体结构的魔方，其他魔方都是由它拓展出来的。
图1.5 一个标准的三阶魔方
从外观上看，三阶魔方一共由6个面组成，初始（还原）状态下每个面一种颜色，通常是白、黄、红、橙、蓝、绿这6种颜色。每个面都是由9个色块组成的“九宫格”。
从立体结构上看，魔方内部通常包含一个隐藏的“三维十字轴”或叫做“十字轴”。这个轴上连接着6个色块，每个色块颜色都不一样，这6个色块对应着魔方每个面正中间的那个块，叫做“中心块”。
图1.6 魔方的配色规律
图1.7 十字轴连接中心块
每两个相邻的中心块之间“嵌入”一个方块，这个方块包含两个颜色，分别对应两个中心的颜色，它叫做“棱块”或“边块”。一个三阶魔方包含12个棱块，对应正方体的12条边。还有一种方块是被放置在立方体“角”位置的块，上面有三个颜色，这样的方块在魔方中一共有8个，它们被称作“角块”，对应立方体的8个顶点。
图1.8 魔方的棱块与角块
通过魔方的结构我们可以发现一些规律：6个中心块是固定在中心轴上的，也就是无论魔方如何转动，他们的“相对位置”都不会改变，因此魔方打乱后每个面应该拼成什么颜色，可以用中心块的颜色作为参考；每个棱块包含两个颜色，这两个颜色永远在一起，因此还原魔方的时候要将棱块作为一个整体来看待，角块同理。
我们习惯说转动魔方的某个“面”，但实际上转动的是一“层”，因为魔方是三维立体结构而不是二维平面结构；在魔方的转动过程中，角块、棱块不会发生互换，也就是无论如何转动魔方，角块始终是角块，棱块也始终是棱块，这一点在学习魔方的过程中需要格外注意。
魔方的游戏规则
图1.9 魔方的打乱与还原
许多人都玩过魔方，但是能把魔方“六面还原”的人就非常少了。这个“还原”过程就表达了魔方的常规玩法，或者叫“游戏规则”。
我们买到一个新的三阶魔方，通常每个面的颜色都是整齐的，这就是魔方的“初始状态”或者叫“还原状态”。而随着我们开始动手转动魔方的各个方向，颜色被“打乱”了，魔方就变成了“打乱状态”。通过学习魔方的规律和还原步骤，将魔方通过一些步骤的转动从“打乱状态”恢复到“还原状态”，就叫“还原魔方”，这就是魔方的正确玩法。
魔方段位认证
当掌握魔方还原技能之后，你就会慢慢发现魔方的世界相当广阔，有许多领域值得去探索。比如有的玩家喜欢研究魔方的结构，设计新型魔方；有的人喜欢收藏世界各地的魔方，建一个魔方博物馆；有的人喜欢挑战各种魔方的极限玩法：单手、脚拧、潜水、跳伞还原魔方。当然，更多的爱好者选择了魔方竞技之路，也就是追求更快速度地把魔方还原。
图1.10 ICA魔方段位证书
想要证明自己的魔方水平到底是什么级别，可以通过参加ICA魔方段位考试来认证。在全国各个城市都设有魔方段位考试中心，会定期举办ICA魔方段位认证考试，通过官网报名并现场参加考核后会根据你的魔方水平获得相应的段位证书，作为证明魔方技能水平的认证。
ICA魔方段位考试一共分为A、B、C、D、E5个段位，每个段位又细分为4个等级，因此一共有20个关于魔方水平的等级（其中E4段最低，A1段最高）。第一次参加魔方考级必须从E段开始考核，获得E1级之后可以报名D段考试，获得D1级之后才可以报名C段考试，以此类推。E段和D段只有一个考核项目：三阶魔方，要达到C段及以上段位，就需要掌握更多的魔方技能、更快的还原速度。
图1.11 魔方段位等级表
三阶魔方的还原思路——盖房子
我们已经知道一个三阶魔方包含26个方块，其中有6个中心块是固定在十字轴上的，那么无论是打乱魔方还是还原魔方，实际上是转动另外20个方块，使其位置和方向发生变化。还原魔方的过程也是将这20个方块分组、分步骤地逐个归位。
前面介绍过魔方转动的时候是以“层”为单位来实现的，因此还原魔方的过程也是“一层一层”来完成的。如果做个比喻的话，还原魔方的过程十分像是在“盖房子”。三阶魔方一共三层，所以还原魔方可以看作我们要盖一个三层楼的房子。图1.12是还原魔方的7个步骤，我们看一看是怎样盖成这个“房子”的。
我们结合还原魔方的步骤来分析一下：
第一步，首先我们拼好底层的4个棱块，组成了一个“三维十字”的图形，注意不仅仅是魔方的底面形成一个白色的十字图案，4个棱块侧面的颜色也都和各自中心块的颜色对齐了。这一步可以看做给房子“打地基”。
第二步，在“地基”完成的基础上将底层4个角块还原，最终形成“第一层”全部还原的情况，注意不仅仅是拼好了“一面”而是“一层”都还原了。这一步相当于盖好了房子的第一层。
图1.12 三阶魔方还原过程
第三步，盖完第一层当然就要盖第二层了，第二层包含了4个中心块，我们不需要理会它们，只需要将另外4个棱块拼好，第二层就还原了。
第四步和第五步，这个“房子”总共就有三层，和现实生活中我们见到盖房子的逻辑是一样的，我们需要先将最后一层，也就是第三层“封顶”，从图中我们看到顶面的黄色部分全都完成了。
第六步和第七步，只剩最后一层侧面的一圈需要还原了，相当于给这座房子的最后一层搭建“立柱”并且安装“门窗”。这时我们的房子就盖完了，你的魔方也就成功还原了！