廣西融水縣三防鎮本洞村沙街
山中居隱素殷勤,
遷住平陽潤庶民。
巧奪天工筑舍宇,
妙將地利建巢營。
金房遍布多晶孔,
玉室密鋪似亮星。
結構暗藏高智慧,
震驚多少數學人。
這首詩是贊揚蜜蜂巧建巢房而作,蜜蜂建房本是用于貯蜜、儲糧和哺育后代的需要,然而,小小的蜂房卻隱藏著鮮為人知的驚人智慧和高超的建筑技術。
早在18世紀初葉,法國數學家克尼格、科學家馬拉爾奇、物理學家列奧繆拉、蘇克蘭數學家麥克勞林等,繼埃及數學家巴普士研究過的有關蜂房結構問題,做了更深入細致的研究、觀測和計算。馬拉爾奇解剖了數以千計的蜂房,最終得出這樣一個結論:蜂房是由許多連續緊湊、排列整齊的正六棱柱形的空心房孔所組成,房孔底部由三個全等的棱形構成,每個棱形的兩個鈍角均為109°28′,兩個銳角均為70°32′。經反復核實后,馬拉爾奇發表了一篇論文,將這一有趣而又十分科學的數據公布于世。
這篇論文驚動了法國著名數學家、巴黎科學院院士克尼格,他經過一系列的精密計算之后,得出了另外一個結果:要使蜂房既省料又寬敞,鈍角應為109°26′,銳角為70°34′。與馬拉爾奇的計算結果相差各2′。克尼格經過反復核實之后,也公布了這一結論。
兩年之后,一場悲劇發生了。一艘輪船在大海中航行,觸礁遇難,僅水手獲救,其余全部沉沒。原因是船長用與克尼格相同的對數表,計算航道經緯度行船,結果使船遇難。消息傳到了克尼格那里,使他大為震驚,于是重新核對原稿,發現在引用反三角函數時,對數表的數值確實有差錯。經過重新計算及修改后,得到的正確答案是:鈍角109°28′,銳角70°32′,與蜂房的角度完全一致,更進一步證明了蜂房結構確實最科學,克尼格自嘆不如。
物理學家列奧繆拉和其他科學家們在蜂房結構的研究中得到啟迪,并以明確的數學邏輯證明:在連續緊湊排列的空心柱體中,正六邊形的周長最短,也就是正六棱柱形房孔的房壁面積最小。而且,每個房孔的六個房壁又各為周圍相鄰的六個房孔的一個房壁。房底的三個棱形又各為另一面三個房孔的底面。房壁很薄,除房口稍厚外,其余厚度均不足1/16 mm。這種一房多孔,一孔多壁,一壁多用的優化建筑,是目前世界上任何一種動物都做不到的。用科學的態度去分析和計算,蜜蜂每分泌1kg蜂蠟,建成房孔大約153800多個,可以貯藏蜂蜜40kg,容量是建材的40倍以上。由此可見,蜂房的巧妙結構使其用材最省房孔最寬敞,充分利用空間,是容量最大最堅固的科學建筑典范。
蜜蜂建房,竟有如此絕妙的聰明才智,自然是出自蜜蜂本身固有的本能。這些本能曾使幾百年來的科學家和建筑師們驚嘆。馬克思和達爾文都曾贊嘆過這種本能。
我國數學家華羅庚、陳景潤,昆蟲學家劉崇樂等都研究過蜂房的結構,華羅庚利用理論數據結合蜜蜂身長、體圍、泌蠟等多種因素,反復研究、測試、論證,證明蜂房結構與蜂體、泌蠟需要現實環境、特定條件等各種關系的統一性。并發表了一篇題為《談談與蜂房結構有關的數學問題》的文章,其內容闡述了蜂房結構中的不少精奧和高深數據,更進一步證明了蜂房結構的科學性。華羅庚認為:蜂房結構不僅如此,還有很多的奧秘尚未揭曉,有待人們去解密,因為蜜蜂的驚人智慧,遠遠超出了人們的想象。華羅庚還填了一闋詞,叮囑后人繼續研究蜂房之秘,詞曰:“往事幾百年,祖述前賢,瑕疵訛謬盈篇,蜂房秘奧未全揭,待咱向前”。