奇妙的对称世界

2012-04-29 00:00:00阿宏
发明与创新·小学生 2012年6期

自然界是极其美妙的,它爱自己,也爱对称。

追求对称,只为美?

世界上的一切生物几乎都是对称的。

昆虫是对称的,它们都有三对足、两对翅,从中间将昆虫一分为二,左右的模样一样;鸟类是对称的,你见过一只翅膀大一只翅膀小的鸟吗?

一个雪花晶体是对称的,一朵梅花的花瓣是对称的,一个酒瓶是对称的,蝴蝶翩翩扇动的双翼也是对称的。

一棵树整体看上去不对称,如果你折下一根树杈,细心观察,就会发现,它的叶序是对称的——左边长了一片树叶,右边向上一定距离,又长了一片……

我们做一只乒乓球和圆柱形的易拉罐,是为了制造和使用的方便。如果人类愿意,我们尽管可以将汽水灌入一个古怪的多面的不对称的罐子,但是那样制作起来一定要麻烦得多。

人类因为美,也因为制造与使用的方便而偏爱对称,可为什么自然界会使足了劲去追求对称?又是谁设计了这么多高度完美的对称?

这一自然之谜,科学家们提供的简单答案是:也许它们是由大量同一的“零件”构成的。大自然本身是在宇宙“生产线”上“大批量”生产出来的,为了“制造”的简捷和方便,也许宇宙也遵循某种“最优化的原则”。

为什么会如此?这本身是个更大的谜。

一些科学家认为,包括我们人类在内的宇宙有深层的数字结构,遵循着某种我们还难以理解的对称的原则。

古希腊哲人柏拉图说:“上帝是一个几何学家。”量子力学的先驱之一保尔·狄拉克也说:“上帝自然是一个高明的数学家,它运用高深的数学原则来建造宇宙,而且比我们人类造得更好。”

而对于这一切,我们的了解又是那么有限。

对称的美妙吸引了大家的目光,自然界中的不对称似乎不服气了,他们也要出来露露脸——尽管宇宙充满了对称,但同时也充满了不对称或被打破了的对称。

液态水分子有一种球性的对称,这是水之所以能流动的奥秘所在,但当水受冷结冰时,这种完美的对称就被破坏,而转变成低层次的如雪花晶体般的六边形的新的对称。

同样,大自然中的对称也以多种多样的方式被打破。如豹、狗、猫身上的斑点与花纹并不严格对称,我们人类的心脏位于胸腔的左边,也将外部形体的对称打破。

除了这种形体的位置不对称外,还有一种有趣的时间上的不对称,如大多数鸟飞行时都是同时拍打双翅的,但奇怪的是,燕子和蝙蝠却是交替着拍打双翅。

这种对称与不对称的奇妙变换,如同宇宙本身的神秘性,人们对此有了无限的遐思。