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第26章 蜘蛛的几何学

提起数学和几何,常常令人想起繁重的公式和枯燥的理论。蜘蛛似乎比人类更能掌握几何学,它们织网的时候既不依赖复杂的公式也不使用尺规。然而蛛网的辐却能排得很均匀,每对相邻的辐所交成的角都是相等的,所有蜘蛛的网都是这样。蜘蛛到底是从哪里学到这种高深的数学知识的呢?

蜘蛛和对数螺线

蜘蛛织网的方式很特别,它把网分成若干等份,同一类蜘蛛所分的份数是相同的。当它安置辐的时候,我们只见它向各个方向乱跳,似乎毫无规则,但是这种无规则的工作的结果是造成一个规则而美丽的网,像教堂中的玫瑰窗一般。即使他用了圆规、尺子之类的工具。没有一个设计家能画出一个比这更规范的网来。

我们可以看到,在同一个扇形里,所有的弦,也就是那构成螺旋形线圈的横辐,都是互相平行的,并且越靠近中心,这种弦之间的距离就越远。每一根弦和支持它的两根辐交成四个角,一边的两个是钝角,另一边的两个是锐角。而同一扇形中的弦和辐所交成的钝角和锐角正好各自相等————因为这些弦都是平行的。

不但如此,凭我们的观察,这些相等的锐角和钝角,又和别的扇形中的锐角和钝角分别相等,所以,总的看来,这螺旋形的线圈包括一组组的横档以及一组组和辐交成相等的角。

这种特性使我们想到数学家们所称的"对数螺线"。这种曲线在科学领域是很著名的。对数螺线是一根无止尽的螺线,它永远向着极绕,越绕越靠近极,但又永远不能到达极。即使用最精密的仪器,我们也看不到一根完全的对数螺线。这种图形只存在科学家的假想中,可令人惊讶的是小小的蜘蛛也知道这线,它就是依照这种曲线的法则来绕它网上的螺线的,而且做得很精确。

[扩展阅读] 其他采用对数螺线结构的动物

有许多动物的建筑都采取了对数螺线的结构。大部分蜗牛的壳就是依照对数螺线构造的。在壳类的化石中,这种螺线的例子还有很多。现在,在南海,我们还可以找到一种太古时代的生物的后代,那就是鹦鹉螺。它们还是很坚贞地守着祖传的老法则,它们的壳和世界初始时它们的老祖宗的壳完全一样。也就是说,它们的壳仍然是依照对数螺线设计的,并没有因时间的流逝而改变。

自然中的几何学

显然,蜘蛛很熟悉对数螺线,而且能够简单地运用到它的网中。蛛网差不多只用一个小时就造成了,所以它只能做出这种曲线的一个轮廊,尽管不精确,但这确实是算得上一个螺旋曲线。是什么东西在指引着它呢?除了天生的技巧外,什么都没有。天生的技巧能使动物控制自己的工作,正像植物的花瓣和小蕊的排列法,它们天生就是这样的。没有人教它们怎么做,而事实上,它们也只能作这么一种,蜘蛛自己不知不觉地在练习高等几何学,靠着它生来就有的本领很自然地工作着。

我们抛出一个石子,让它落到地上,这石子在空间的路线是一种特殊的曲线。树上的枯叶被风吹下来落到地上,所经过的路程也是这种形状的曲线。科学家称这种曲线为抛物线。

几何学家对这曲线作了进一步的研究,他们假想这曲线在一根无限长的直线上滚动,那么它的焦点将要划出怎样一道轨迹呢?答案是:垂曲线。这要用一个很复杂的代数式来表示。如果要用数字来表示的话,这个数字的值约等于这样一串数字1+1/1+1/1*2+1/1*2*3+1/1*2*3*4+……的和。 几何学家不喜欢用这么一长串数字来表示,所以就用"e"来代表这个数。e是一个无限不循环小数,数学中常常用到它。

这种线是不是一种理论上的假想呢?并不,你到处可以看到垂曲线的图形:当一根弹性线的两端固定,而中间松驰的时候,它就形成了一条垂曲线;当船的帆被风吹着的时候,就会弯曲成垂曲线的图形;这些寻常的图形中都包含着e的秘密。这个魔术般的e字在蜘蛛网上也能被发现。清晨时分,蛛网粘性的线上常会排了许多小小的露珠。它的重量把蛛网的丝压得弯下来,就构成了许多垂曲线,像许多透明的宝石串成的链子。太阳一出来,这一串珠子就发出彩虹一般美丽的光彩。望着这美丽的链子,你会发现科学之美、自然之美和探究之美。

[知识链接]对数螺线

对数螺线是1638年经笛卡尔引进的,后来瑞士数学家雅各?伯努利曾详细研究过它,发现对数螺线的渐屈线和渐伸线仍是对数螺线,极点在对数螺线各点的切线仍是对数螺线,等等。伯努利对这些有趣的性质惊叹不止,竟留下遗嘱要将对数螺线画在自己的墓碑上,并附词“纵使改变,依然故我”(eadem mutata resurgo)。

怪博士出题

身边随处可见的美丽几何图形似乎在告诉我们,宇宙间有一位万能的几何学家,他已经用它神奇的工具测量过宇宙间所有的东西。想一想,你还在大自然中见过什么样的几何图形?

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