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        自然界中的數(shù)學(xué)謎題

        2016-08-02 01:12:22
        大自然探索 2016年6期
        關(guān)鍵詞:那契花菜蛛網(wǎng)

        雪花 雪花的對稱,令人驚嘆大自然的神奇。雪花顯示出6方徑向?qū)ΨQ,每片“花瓣”的精致圖案完全相同。目前科學(xué)家尚未徹底破解動植物的對稱之謎,而非生命物質(zhì)的對稱更讓他們抓耳撓腮。雪花的形成,是源于水分子固化時的天然排列。這個過程很復(fù)雜,但基本上是這樣的:水分子結(jié)晶時,它們彼此之間形成弱氫鍵。這些鍵的排列是為了讓吸引力最大化,讓排斥力最小化。這就是雪花呈清晰六邊形的原因。沒有哪兩片雪花是一樣的。為什么片片雪花自身完美對稱,而每片雪花卻都不一樣?當(dāng)每片雪花從天空飄落時,它都會經(jīng)歷獨特的大氣條件,比如風(fēng)和濕度,而這些因素會影響生成雪花的冰晶。雪花的每個瓣片都受同樣的因素影響,因此結(jié)晶方式一樣,每個瓣片都是其他瓣片的精確鏡像。

        平行沙丘 在數(shù)學(xué)中,兩條平行線延伸無限遠(yuǎn),既不匯合也不相交。圖中,澳大利亞沙漠中的平行沙丘并不像平行線那么完美。雖然物理世界中的完美很少見,但那些近似或比較近似的自然的“完美”,依然令我們驚艷。

        寶塔花菜 寶塔花菜的形狀不同尋常,許多人以為它是一種轉(zhuǎn)基因花菜,但它實際上是自然界許多分形幾何案例的代表之一。在幾何學(xué)中,分形幾何體是指一類復(fù)合幾何體,其中每個構(gòu)件與整體的模式相同。對寶塔花菜來說,每個菜莖都是整棵花菜的對數(shù)螺旋形狀的微型版。這意味著,整棵寶塔花菜是一個大的對數(shù)螺旋形,由較小但形態(tài)完全相同的錐形迷你螺旋組成。當(dāng)然,和別的花菜一樣,寶塔花菜也富含維生素,同時造型獨特,這可能就是孩子們喜歡吃寶塔花菜的原因。

        葵花 葵花擁有徑向?qū)ΨQ和一種數(shù)字對稱——斐波那契數(shù)列。在斐波那契數(shù)列中,每個數(shù)字都是前面兩個數(shù)字之和,例如:1,2,3,5,8,13,21,34,55……以此類推??茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn),葵花種子(瓜子)從葵花中心向外延伸的螺旋數(shù)量,構(gòu)成了斐波那契數(shù)列。這并非罕見,許多植物都以斐波那契數(shù)列方式產(chǎn)生葉片、花瓣和種子。之所以很難找到四葉苜蓿——幸運草,就是這個道理。那么,植物為什么要遵循數(shù)學(xué)規(guī)則?科學(xué)家推測,這是為了提高效率。簡單地說,如果每顆種子都以一個無理數(shù)角度被隔開,葵花就能最大數(shù)量地塞滿種子?!白顭o理”的無理數(shù)被稱為黃金分割或黃金比例。巧的是,用斐波那契數(shù)列中每個數(shù)除以它后面那個數(shù),其所得值都很接近黃金分割值0.618。因此,對于遵循斐波那契數(shù)列的任何植物來說,其每顆種子、每片葉子、每朵花或每根枝條之間,都有一個符合黃金分割的角度。

        蜂巢 幾百年來,人類一直驚嘆于蜂巢中的六邊形。這可是蜜蜂本能創(chuàng)制的形狀。人類要想制作完美的六邊形,需要借助圓規(guī)和尺子。蜂巢是壁紙對稱的范例之一。所謂壁紙對稱,是指把正六邊形圖案不斷重復(fù),直到蓋滿一個平面。這方面的其他案例包括馬賽克畫和鋪滿瓷磚的地面。數(shù)學(xué)家相信,蜜蜂采用六邊形建造蜂巢,是因為對于采用最少的蜂蠟來儲存最多的蜂蜜來說,累積正六邊形最有效。而像圓圈之類的形狀,相互緊挨著排列時避免不了空隙,效率自然不夠。但有些學(xué)者認(rèn)為,蜂巢的正六邊形只是個意外,而不是蜜蜂自己想出來的。他們猜測,當(dāng)圓形巢室周圍的蜂蠟坍塌時,就會形成正六邊形。不管上面兩種理論中的哪種是正確的,蜂巢都無疑是自然界中令人著迷的一個對稱范例。

        圓蛛網(wǎng)蜘蛛 現(xiàn)已知大約有5000種圓蛛網(wǎng)蜘蛛。它們?nèi)季幙椊咏昝赖膱A形蛛網(wǎng),蛛網(wǎng)中央伸出接近等距離的徑向支撐,于是一組同心圓大網(wǎng)被編織出來捕捉獵物。圓蛛網(wǎng)蜘蛛為什么這么喜歡幾何學(xué)?目前仍不清楚。測試表明,在抓捕獵物方面,圓蛛網(wǎng)并不比不規(guī)則形狀的蛛網(wǎng)更有效。一些科學(xué)家推測,當(dāng)蜘蛛的天敵與圓蛛網(wǎng)接觸時,圓蛛網(wǎng)的徑向?qū)ΨQ有助于平衡分散撞擊力量,蛛絲被撞斷的情況會少些。然而,若真是這樣的話,為什么其他蜘蛛不編織對稱的蛛網(wǎng)呢?有些蜘蛛有能力編織圓蛛網(wǎng),但看來它們卻不費心這么干。如此看來,圓蛛網(wǎng)之謎還待揭曉。

        孔雀 大多數(shù)動物具有雙側(cè)對稱,即有一條中分線把身體分隔成相同的兩半??兹赴堰@種對稱發(fā)揮到了極致。事實上,大生物學(xué)家達(dá)爾文很討厭孔雀。他在1860年的一封信中寫道:“一看見孔雀尾巴羽毛,我就會惡心!”他認(rèn)為孔雀尾沒有進(jìn)化意義,完全是個負(fù)擔(dān)。他的這種憤怒一直持續(xù)到他提出性選擇理論時才結(jié)束。該理論認(rèn)為,動物為了增加交配機(jī)會而演化出某些特征。這些特征包括明亮的顏色、更大的個頭、對稱的體形和羽毛上重復(fù)的圖案等。

        人臉 人類具有雙側(cè)對稱。研究表明,一個人的對稱性對于這個人的吸引力來說非常重要。人類的臉和動物的一樣,充滿黃金分割的例子。例如,人的嘴巴和鼻子分別位于眼睛和下巴之間的黃金分割位置。甚至,人的眼睛和耳朵自身也呈現(xiàn)螺旋。雖然每個人都不一樣,但整個人體的許多平均數(shù)都靠近黃金分割,而且越靠近越有吸引力。例如,在最漂亮的笑容當(dāng)中,中門齒比側(cè)切齒寬0.618倍,側(cè)切齒比犬齒寬0.618倍,以此類推。從演化心理學(xué)角度講,我們之所以都具有遵循黃金分割的生理特征,有可能是因為黃金分割是生育力強(qiáng)的一個潛在指針。

        細(xì)菌 諸如希瓦氏菌的一些細(xì)菌,通過在短短40分鐘里讓自己數(shù)量翻倍的方式進(jìn)行繁殖。在這樣的數(shù)列中,每個數(shù)字都是前面那個數(shù)字的2倍。就這樣,在很短時間內(nèi),細(xì)菌數(shù)量猛升。

        銀河系 在地球上,對稱及其他數(shù)學(xué)模式無處不在。但這些自然法則是地球獨有的嗎?銀河系邊緣的一個新部分最近被發(fā)現(xiàn)。通過對此進(jìn)行研究,天文學(xué)家現(xiàn)在相信銀河系是近乎完美對稱的。運用這一新信息,他們對自己的理論更自信:銀河系只有兩條主臂,即盾牌座和英仙座,這兩條臂互呈鏡像。除了鏡對稱之外,銀河系還有另一個驚人的設(shè)計:就像鸚鵡螺的殼和葵花籽的排列一樣,銀河系的每條臂都象征著始于銀河系中心(銀心)、向外延伸的一個對數(shù)螺旋。

        火山錐 火山形成錐體,其陡度和高度取決于熔巖黏度。流動快、水分多的熔巖形成的錐比較扁,黏度大的熔巖形成的錐比較陡。錐體是三維立體,其體積容易計算,火山錐也一樣。

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