自然界中的數(shù)學謎題

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。在幾何學中，分形幾何體是指一類復合幾何體，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。科學研究發(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)學規(guī)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(shù)角度被隔開，葵花就能最大數(shù)量地塞滿種子。“最無理”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，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？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。一些科學家推測，當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。孔雀把這種對稱發(fā)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，我就會惡心！”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(xù)到他提出性選擇理論時才結(jié)束。該理論認為，動物為了增加交配機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分鐘里讓自己數(shù)量翻倍的方式進行繁殖。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)，細菌數(shù)量猛升。

銀河系 在地球上，對稱及其他數(shù)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(fā)現(xiàn)。通過對此進行研究，天文學家現(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。