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為什麼是 137.5 度?

        大自然的機制使得原基的生長遵循著有效率堆排的幾何原理。一九七九年,數學家伏格(H. Vogel)以電腦模擬原基的生長情形,他用圓點來代表向日葵的原基,在發散角為固定值的假設下,試圖找出最佳的發散角使這些圓點盡可能緊密地排在一起。他的電腦實驗顯示,當發散角小於 137.5 度,圓點間就會出現空隙,而只會看到一組螺線;同樣的,如果發散角超過 137.5 度,圓點間也會出現空隙,但是這次看到的是另一組螺線。因此,如果要使圓點排列沒有空隙,發散角就必須是黃金角;而這時,兩組螺線就會同時出現。簡言之,要使花頭最密實、最堅固,最有效的堆排方式是讓發散角等於黃金角。

        下面的圖是用數學軟體模擬伏格的實驗結果:

 

發散角為137.6

 發散角為137.4

發散角為137.5

如果你有 Maple,可以按這裡取得執行上面圖形的程式。你不妨將其中的發散角改成其他的角度玩一玩。

        事實上,如果我們選用的發散角是三百六十度的有理數倍,就必定會得到一組徑向直線。由於直線之間都有空隙,所以原基就無法排列得很緊密。結論是:想要以最有效的方式填滿一個平面,發散角就必須是三百六十度乘以某個無理數,也就是乘以不能表示為分數的數。但是要用哪一個無理數呢?實數不是有理數就是無理數,不過,某些無理數卻比其他無理數更〔無理〕些。數論學家很早就知道,最〔無理〕的無理數就是黃金數,它很難以有理數近似,如果我們能將近似的困難程度量化,將會發現它是最差的一個,這就是說黃金發散角會使原基排列得最緻密。

        費氏數列相鄰兩項的比值趨近於黃金比值,由黃金矩形又可描出等角螺線,等角螺線又出現在松果、鳳梨、雛菊、向日葵等,而它們的左右旋螺線數自又是費氏數列相鄰的兩項,自然之造物真令人嘆為觀止!

 

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