幾百年以來，數(shù)學(xué)家們已經(jīng)識別出多種不同的螺旋，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復(fù)出現(xiàn)。自然界為什么能夠存在如此精確有序的結(jié)構(gòu)?比如，為什么向日葵的種子按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)規(guī)律排成螺旋形?菊石(一種古生物化石)是怎樣“知曉”阿基米德螺旋并這樣把自己卷起來?颶風(fēng)為什么能成為一個直徑達(dá)數(shù)百英里的巨大螺旋?

阿基米德螺旋

這只是自然界的螺旋現(xiàn)象提出的幾個問題，其中有些問題的答案最近才顯現(xiàn)出來。一些最偉大的科學(xué)家都對解開螺旋的存在之謎興趣十足，這項(xiàng)工作為地理學(xué)和遺傳學(xué)等各個領(lǐng)域的突破開辟了道路。

大約在2300年以前，古希臘時代最偉大的數(shù)學(xué)家阿基米德第一個發(fā)現(xiàn)了螺旋的能量和魔力。他在古代最出色的數(shù)學(xué)著作之一中解釋了這種結(jié)構(gòu)的特性，他的名字因此與兩種螺旋永遠(yuǎn)連在了一起。

阿基米德表明，他的第一種螺旋能夠用來解決一些長期存在的數(shù)學(xué)難題，但另一種螺旋卻有更多的實(shí)用性。這種稱做阿基米德螺旋泵的東西是一種圍繞一支圓筒向上的結(jié)構(gòu)。這種在技術(shù)上稱做螺旋線的形狀構(gòu)成了著名的阿基米德升水泵(一種內(nèi)裝螺旋“線”的圓筒形汲水裝置)的核心。這種水泵今天已得到廣泛使用，而螺旋線則有了其他許多實(shí)際用途，包括鉆頭、螺栓和螺絲釘?shù)取?/p>

這些螺旋也是自然界中最普通的螺旋。例如，6500萬年以前和恐龍一起滅絕的海洋生物菊石就是屬于阿基米德螺旋。而螺旋線可以在你的花園里找到，比如一些爬藤植物。

但是，這些生物是怎樣喜歡上數(shù)學(xué)的呢?對于爬藤植物來說，億萬年的進(jìn)化使它們呈螺旋形生長：它們在抓住其他結(jié)構(gòu)的同時盡可能使自己多接觸陽光。對于菊石來說，它們的外層生長得十分緩慢，這使它們在盤曲的同時穩(wěn)步增大中心與邊緣的距離。

植物身上的螺旋

另一種螺旋稱做對數(shù)螺線。菊石的現(xiàn)代親戚、生長迅速的鸚鵡螺，其外形就是一種巨大的對數(shù)螺線。

許多植物屬于另一些更為復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)。它們(從松果到菠蘿)的莖、皮和子實(shí)都顯示了奇特的螺旋規(guī)則，這些規(guī)則在數(shù)學(xué)上極為精確。例如，向日葵的種子都按螺旋形排列，一些呈順時針，一些呈逆時針。

植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在自然界中，這兩種螺旋結(jié)構(gòu)只會以某些“神奇”的組合同時出現(xiàn)。比如，21個順時針、34個逆時針，或34個順時針、55個逆時針。有趣的是，這些數(shù)字屬于一個特定的數(shù)字列：斐波納契數(shù)列，即1，2，3，5，8，13，21，34等，每個數(shù)都是前面兩數(shù)之和。

植物怎么能“知道”這個深奧的序列呢?科學(xué)家為此苦苦思索了幾個世紀(jì)。迄今為止最好的解釋是1992年由兩位法國數(shù)學(xué)家伊夫·庫代和斯特凡尼·杜阿迪提出來的。他們證明，斐波納契數(shù)列使花朵頂端的種子數(shù)最多。

地球上最壯觀的螺旋也是最不受人歡迎的螺旋：颶風(fēng)。颶風(fēng)典型的螺旋形狀可以蔓延數(shù)百英里，再加上140英里的時速：其毀滅力相當(dāng)于10萬顆原子彈。

這可怕的力量一部分來自太陽的熱，后者加劇了熱帶地區(qū)的蒸發(fā)作用，使大量熱能進(jìn)入大氣層。但是，颶風(fēng)的螺旋形狀卻來自科里奧利效應(yīng)：地球的自轉(zhuǎn)力往往使所有物體朝同一個方向運(yùn)動。在熱帶，距赤道越遠(yuǎn)，科里奧利效應(yīng)越強(qiáng);這種效應(yīng)把新形成的颶風(fēng)變?yōu)闉踉?、狂風(fēng)和暴雨組成的濃密螺旋。