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神奇的斐波那契數列:為何自然界里無處不在?

宇宙有魔法方程嗎?一系列的數字能夠解開最復雜的有機特性或是破譯《迷失》的情節?可能并不行,但是,由于一個中世紀人對兔子的癡迷,我們擁有了一系列數字,反映了自然界中發現的各種模式。

1202年,意大利數學家Leonardo Pisano(又名斐波納契,意為“Bonacci的兒子”)思考了這個問題:在最佳條件下,一年里,一對兔子能繁殖多少對兔子?這個理論實驗規定,母兔總是生下成對的兔寶寶,每對由一公一母組成。

想想看——兩只新生的兔子被安置在一個有圍欄的院子里,然后讓像正常兔子一樣繁殖。兔子至少要長到一個月才能開始繁殖,所以第一個月只有一對兔子。在第二個月月底,母兔產下兩只兔子。當第三個月到來時,原來的一對兔子又產了一對新生兒,而它們早期的后代則已經成年。此時便留下了三對兔子,其中兩對將在下個月再生兩對兔子。

順序如下:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144和無窮大。這個數列從第3項開始,每一項都等于前兩項之和,這一系列數字被稱為斐波那契數列,隨著數列項數的增加,前一項與后一項之比越來越逼近黃金分割的數值0.6180339887..…

乍一看,斐波那契的實驗似乎對現實世界中養兔子沒有任何幫助。但是這個數列經常出現在自然界中——這個事實也在幾個世紀以來引發了科學家們的好奇心。

想看看這些迷人的數字是如何在自然界中表達的嗎?無需跑到當地的寵物店;你所要做的就是仔細地觀察你周圍。

大自然中的黃金比例

黃金比例以螺旋表示。在下圖中,殼體的生長區域以正方形繪制。如果兩個最小方塊的寬度為1,則其左側框的寬度為2。其它框的寬度則為3、5、8和13。

你通常可以通過研究各種植物的生長方式來發現。以下是一些例子:

種子穗株、松果、水果和蔬菜:

看看向日葵中心的種子陣列,你會發現其中包含了某種螺旋圖案致使它左右彎曲。令人驚訝的是,如果你計算這些螺旋,得到的總數將是一個斐波那契數字。

將螺旋分為指向的左側和右側,您將獲得兩個連續的斐波那契數。你可以破譯松果,菠蘿和花椰菜的螺旋圖案,它們都反映斐波那契數列。

花和樹枝:

有些植物在生長點,即樹枝形成或分裂的地方表達斐波那契數列。一個枝干生長后產生分支,會產生兩個生長點。接下來,主枝干生成另一個分支,從而產生三個增長點。然后樹干和第一分支產生兩個增長點,使總數達到五個。此模式繼續遵循斐波那契數。

此外,如果你計算花上的花瓣數,通常會發現花瓣的總數就是斐波那契數列中的數字之一。例如,百合和鳶尾有三個花瓣,金鳳花和野玫瑰有五個花瓣,飛燕草有八瓣等等。

蜜蜂:

蜜蜂群由蜂王、一些雄峰和大量工蜂組成。雌蜂(蜂王和工人)都有雙親,即雄峰和蜂王。另一方面,雄峰則從未受精的卵子中孵化出來。這意味著它們只有一個母親。

因此,斐波那契數字可以表示雄峰的家譜,因為它分別有一個父母,兩個祖父母,三個曾祖父母等等。

人體:

好好看看鏡子里的自己,你會發現,你的大多數身體部位都遵循了數字1,2,3和5。你有一個鼻子,兩只眼睛,每個肢體都有三段,每只手有五根手指。人體的比例和測量值也可以按黃金比例進行劃分。DNA分子也遵循這個數列,在雙螺旋結構的每一個完整周期中,長度為34埃,寬度為21埃。

為什么這么多的自然模式反映了斐波那契數列?幾個世紀以來,科學家們一直在思考這個問題。在某些情況下,這種關聯可能只是巧合。

在其它情況下,這個比率之所以存在,是因為這種特定的增長模式逐漸被證明為是最有效的增長模式。

在植物中,這可能意味著嗜光如命的葉子的最大暴露面積或最大的種子排列方式。