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数学密码的艺术:大自然的绘画者
来源:基础教学部 发布人:苏秀娟 阅读:次 发布时间:2023/11/24 10:15:35 更新时间:2023/11/24 10:28:15
       自然数e,更是数学中最神奇的数字。这个与大众相隔最远,却影响最大的数字,正在孜孜不倦地绘制着大自然与人类共存的历史画卷。


鹦鹉螺的横截面

       著名的斐波拉契螺旋线,描述了一个在辐射状的网格图里,和每条辐射线保持固定夹角的曲线模型。
大自然似乎特别偏爱这条曲线。海螺的外壳、向日葵的种子、台风的流动、水中的漩涡,包括DNA形成的双螺旋结构,甚至银河系的俯视图,都呈现出这个规律。原因就是它们在生长过程中,始终保持着与辐射线等角度的发展方向,最终就必然形成一种螺旋线的外形。
        所有螺旋线结构的数学描述里,都包含着数字e。唯一的区别,仅仅是e的多少次方不同。在自然界的底层规律上,更是能找到无数e的踪迹。大自然在各种微观、宏观、生命和非生命体现象中都透露出对e的喜爱。从这个意义上说,数学,是大自然绘画和创作的工具。
        分形,是20世纪数学家在认识自然和宇宙真理上迈出的一大步。分形,更是在生命形成的过程中扮演着至关重要的角色。可以说,没有分形,人类这种伟大而聪慧的生灵可能根本就不会出现。
为了维持人体生存的必需,血管肩负起传递营养的重责。人的身体各处都布满血管,从大动脉到微血管,就是为了保证每个细胞都能从血液的流动中交换必要的成分。大动脉负责主要血液的流动,微血管甚至只能允许单个血细胞通行。考虑到每个细胞都需要直接供血,血液循环系统的总体表面积会非常巨大。然而出乎意料的是,这样一个极为复杂细致、遍布全身的血液网络,其血流量的总体积却仅占据人体体积的5%。
        科学家经过仔细研究发现:原来,血管的分叉就是一种分形结构。经过精密的实验测定发现,人体动脉的分形维数大约为2.7。更进一步,科学家们发现,人体的主要器官和结构都是分形的杰作。
        人体的肺部细胞、大脑的表面、肝胆和小肠的结构、泌尿系统、神经元的分布、双螺旋的DNA结构甚至蛋白质的分子链等等,都有明显的分形特征:自相似性。甚至生物体中每个单元的形态结构、遗传特性等,在不同程度上都可看作是生物整体的缩影。比如,人耳的形状,就非常类似母体胚胎中蜷缩的婴儿。
       人体的肺部管道遵循着反复的树形分叉结构。为了能在有限的体积内充分吸收空气,肺部的表面积竟然差不多有整个网球场那么大,这无疑是仰赖于分形的功劳!实验揭示,肺泡的分形维数大约为2.97。
        人类的大脑更是分形艺术的杰作。大脑表面的皱纹也呈现出复杂的分形结构,目的就是为了在有限的体积内,拥有更大的表面积,从而拥有可能更加复杂的思考能力。科学家估算出大脑的分形维数大致在2.75左右。
        数学,正是以这样一种润物细无声的缜密与温婉嵌入到人类社会的生活。遗憾的是,现代都市的快节奏让人们的脚步过于匆忙,难以停下来欣赏这背后秩序的美感。
       生活中从来不缺少美,唯一缺少的,就是发现美的眼睛。也许我们可以自豪地说:真实世界的美,很大一部分,就是由数学与艺术编织而成。
                    (文/袁艳琪,图/袁艳琪,编辑/苏秀娟,审核/王俊华)
 
 
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