图版 06 · 生命
向日葵的算术
数一数它的种子排成的螺旋,你会数到一串著名的数字。而让这些数字出现的,只是一个角度。
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数一数
向日葵的花盘上挤满了种子。顺着看过去,它们排成一条条螺旋:一组向左旋,一组向右旋。
在这朵模型向日葵上,靠近边缘的螺旋,一个方向有 55 条,另一个方向有 89 条。
模型向日葵 · 1,200 颗种子
一串有名的数
1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……每个数都是前两个数之和。这串数以意大利数学家斐波那契命名。
在向日葵上数到的螺旋条数,常常正是这串数里相邻的两个:21 和 34,34 和 55,55 和 89。
每次转 137.5°
把种子一颗接一颗摆上去,每一颗都比前一颗多转约 137.5°,并且离中心稍远一点。这个角度把一整圈按黄金比例分成两段,叫作黄金角。
只要一直按这个角度摆下去,斐波那契螺旋就会自己出现,没有谁需要知道这串数。
差一点都不行
换一个角度试试。每次转 120°,种子排成三条直直的臂,中间全是空隙;转 137°,螺旋还在,却漏出一道道缝。
在这些角度里,黄金角把种子排得最均匀、最紧密。
没有谁在计算
植物当然不会量角度。在花盘生长的地方,每一朵新的小花(日后的一颗种子)都长在离已有的小花最远、空间最宽的位置。
1992 年,两位法国物理学家让磁性液体一滴滴落进盛油的盘子中央。磁场使液滴互相排斥、向外漂去,每一滴都朝离前面的液滴最远的方向走。滴得快慢合适时,相邻两滴之间的夹角便自己稳定在 137.5° 附近。
657 朵向日葵
2012 年,英国曼彻斯特发起了一项公众科学实验:请大家种向日葵、数螺旋,纪念晚年研究过这个问题的数学家图灵。研究者最后分析了 657 朵花。
在最可靠的那部分数据里,约四分之三的螺旋数是斐波那契数,另有近一成属于与它相关的数列;其余约两成两者都不是。大自然没有那么整齐;把不整齐的也如实记下,才是科学。
你来试试
拖动转角,看螺旋怎样出现、消失;加减种子的数量,看能数到的螺旋怎样变成下一对斐波那契数。
试一试把每颗转过的角度改成 135°,种子会排成什么样?
模型省略了什么
模型用的是 Vogel(1979)的排法:第 n 颗种子转过 n 个相同的角度,离中心的距离与 n 的平方根成正比。模型的花盘是一个规整的低穹顶;真实的花盘会鼓起、凹陷或起伏,种子的大小和形状也会从中心到边缘逐渐变化;种子长出来的先后顺序,这里也没有细究。
一个常见的误解
并不是所有向日葵都长着斐波那契螺旋,也不是所有植物都遵循黄金角。还要注意:螺旋是“看”出来的。每颗种子同时落在好几组螺旋上;你最容易看出哪两组,取决于在花盘的哪一圈去数。
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