地球上的「大自然數學之謎」,宇宙中也有這種奇怪的數學規律!

2020-12-03 宇宙的狂想曲

雪花

雪花的對稱,令人驚嘆大自然的神奇。雪花顯示出6方徑向對稱,每片「花瓣」的精緻圖案完全相同。目前科學家尚未徹底破解動植物的對稱之謎,而非生命物質的對稱更讓他們抓耳撓腮。雪花的形成,是源於水分子固化時的天然排列。這個過程很複雜,但基本上是這樣的:水分子結晶時,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。為什麼片片雪花自身完美對稱,而每片雪花卻都不一樣?當每片雪花從天空飄落時,它都會經歷獨特的大氣條件,比如風和溼度,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

在數學中,兩條平行線延伸無限遠,既不匯合也不相交。圖中,澳大利亞沙漠中的平行沙丘並不像平行線那麼完美。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」,依然令我們驚豔。

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。在幾何學中,分形幾何體是指一類複合幾何體,其中每個構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螺旋形,由較小但形態完全相同的錐形迷你螺旋組成。當然,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

葵花擁有徑向對稱和一種數字對稱——斐波那契數列。在斐波那契數列中,每個數字都是前面兩個數字之和,例如:1,2,3,5,8,13,21,34,55……以此類推。科學研究發現,葵花種子(瓜子)從葵花中心向外延伸的螺旋數量,構成了斐波那契數列。這並非罕見,許多植物都以斐波那契數列方式產生葉片、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。那麼,植物為什麼要遵循數學規則?科學家推測,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角度被隔開,葵花就能最大數量地塞滿種子。「最無理」的無理數被稱為黃金分割或黃金比例。巧的是,用斐波那契數列中每個數除以它後面那個數,其所得值都很接近黃金分割值0.618。因此,對於遵循斐波那契數列的任何植物來說,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,人類一直驚嘆於蜂巢中的六邊形。這可是蜜蜂本能創製的形狀。人類要想製作完美的六邊形,需要藉助圓規和尺子。蜂巢是壁紙對稱的範例之一。所謂壁紙對稱,是指把正六邊形圖案不斷重複,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。數學家相信,蜜蜂採用六邊形建造蜂巢,是因為對於採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。但有些學者認為,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範例。

圓蛛網蜘蛛

現已知大約有5000種圓蛛網蜘蛛。它們全都編織接近完美的圓形蛛網,蛛網中央伸出接近等距離的徑向支撐,於是一組同心圓大網被編織出來捕捉獵物。圓蛛網蜘蛛為什麼這麼喜歡幾何學?目前仍不清楚。測試表明,在抓捕獵物方面,圓蛛網並不比不規則形狀的蛛網更有效。一些科學家推測,當蜘蛛的天敵與圓蛛網接觸時,圓蛛網的徑向對稱有助於平衡分散撞擊力量,蛛絲被撞斷的情況會少些。然而,若真是這樣的話,為什麼其他蜘蛛不編織對稱的蛛網呢?有些蜘蛛有能力編織圓蛛網,但看來它們卻不費心這麼幹。如此看來,圓蛛網之謎還待揭曉。

孔雀

大多數動物具有雙側對稱,即有一條中分線把身體分隔成相同的兩半。孔雀把這種對稱發揮到了極致。事實上,大生物學家達爾文很討厭孔雀。他在1860年的一封信中寫道:「一看見孔雀尾巴羽毛,我就會噁心!」他認為孔雀尾沒有進化意義,完全是個負擔。他的這種憤怒一直持續到他提出性選擇理論時才結束。該理論認為,動物為了增加交配機會而演化出某些特徵。這些特徵包括明亮的顏色、更大的個頭、對稱的體形和羽毛上重複的圖案等。

人臉

人類具有雙側對稱。研究表明,一個人的對稱性對於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於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螺旋。雖然每個人都不一樣,但整個人體的許多平均數都靠近黃金分割,而且越靠近越有吸引力。例如,在最漂亮的笑容當中,中門齒比側切齒寬0.618倍,側切齒比犬齒寬0.618倍,以此類推。從演化心理學角度講,我們之所以都具有遵循黃金分割的生理特徵,有可能是因為黃金分割是生育力強的一個潛在指針。

細菌

諸如希瓦氏菌的一些細菌,通過在短短40分鐘裡讓自己數量翻倍的方式進行繁殖。在這樣的數列中,每個數字都是前面那個數字的2倍。就這樣,在很短時間內,細菌數量猛升。

銀河系

在地球上,對稱及其他數學模式無處不在。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現。通過對此進行研究,天文學家現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徵著始於銀河系中心(銀心)、向外延伸的一個對數螺旋。

火山錐

火山形成錐體,其陡度和高度取決於熔巖黏度。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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