大自然鬼斧神工（1）

几百年以来，数学家们已经识别出多种不同的螺旋，其中有些名字非常古怪。然而，最令人不解的是：螺旋形在自然界中的反复出现。自然界为什么能够存在如此精确有序的结构?比如，为什么向日葵的种子按照严格的数学规律排成螺旋形?菊石(一种古生物化石)是怎样“知晓”阿基米德螺旋并这样把自己卷起来?飓风为什么能成为一个直径达数百英里的巨大螺旋?

阿基米德螺旋

这只是自然界的螺旋现象提出的几个问题，其中有些问题的答案最近才显现出来。一些最伟大的科学家都对解开螺旋的存在之谜兴趣十足，这项工作为地理学和遗传学等各个领域的突破开辟了道路。

大约在2300年以前，古希腊时代最伟大的数学家阿基米德第一个发现了螺旋的能量和魔力。他在古代最出色的数学著作之一中解释了这种结构的特性，他的名字因此与两种螺旋永远连在了一起。

阿基米德表明，他的第一种螺旋能够用来解决一些长期存在的数学难题，但另一种螺旋却有更多的实用性。这种称做阿基米德螺旋泵的东西是一种围绕一支圆筒向上的结构。这种在技术上称做螺旋线的形状构成了著名的阿基米德升水泵(一种内装螺旋“线”的圆筒形汲水装置)的核心。这种水泵今天已得到广泛使用，而螺旋线则有了其他许多实际用途，包括钻头、螺栓和螺丝钉等。

这些螺旋也是自然界中最普通的螺旋。例如，6500万年以前和恐龙一起灭绝的海洋生物菊石就是属于阿基米德螺旋。而螺旋线可以在你的花园里找到，比如一些爬藤植物。

但是，这些生物是怎样喜欢上数学的呢?对于爬藤植物来说，亿万年的进化使它们呈螺旋形生长：它们在抓住其他结构的同时尽可能使自己多接触阳光。对于菊石来说，它们的外层生长得十分缓慢，这使它们在盘曲的同时稳步增大中心与边缘的距离。

植物身上的螺旋

另一种螺旋称做对数螺线。菊石的现代亲戚、生长迅速的鹦鹉螺，其外形就是一种巨大的对数螺线。

许多植物属于另一些更为复杂的螺旋结构。它们(从松果到菠萝)的茎、皮和子实都显示了奇特的螺旋规则，这些规则在数学上极为精确。例如，向日葵的种子都按螺旋形排列，一些呈顺时针，一些呈逆时针。

植物学家发现，在自然界中，这两种螺旋结构只会以某些“神奇”的组合同时出现。比如，21个顺时针、34个逆时针，或34个顺时针、55个逆时针。有趣的是，这些数字属于一个特定的数字列：斐波纳契数列，即1，2，3，5，8，13，21，34等，每个数都是前面两数之和。

植物怎么能“知道”这个深奥的序列呢?科学家为此苦苦思索了几个世纪。迄今为止最好的解释是1992年由两位法国数学家伊夫·库代和斯特凡尼·杜阿迪提出来的。他们证明，斐波纳契数列使花朵顶端的种子数最多。

地球上最壮观的螺旋也是最不受人欢迎的螺旋：飓风。飓风典型的螺旋形状可以蔓延数百英里，再加上140英里的时速：其毁灭力相当于10万颗原子弹。

这可怕的力量一部分来自太阳的热，后者加剧了热带地区的蒸发作用，使大量热能进入大气层。但是，飓风的螺旋形状却来自科里奥利效应：地球的自转力往往使所有物体朝同一个方向运动。在热带，距赤道越远，科里奥利效应越强;这种效应把新形成的飓风变为乌云、狂风和暴雨组成的浓密螺旋。