黃金角 · 數螺線

葉序

葉序是葉片、小花或種子環繞莖的排列方式。讓每顆種子比上一顆多轉固定角度:若使用約137.5°的黃金角,種子會均勻填滿圓盤,眼睛則看到兩組螺線,條數是一對相鄰的費波那契數,就像向日葵花盤。

葉序與本頁視覺化

葉序是葉、小花或種子在植物上的排列方式。向日葵花盤上的種子形成兩族螺線,兩族的條數常是相鄰的費波那契數。在這裡,你可以在一盤種子的任意位置數螺線,觀察角度稍微改變會有什麼差別,也可以看一條不預設角度的規則如何走到黃金角附近。在固定角度模式下,NN顆種子中的第kk顆(從0數起)位於

θk=90∘+k α,rk=R k+12N.\theta_k = 90^\circ + k\,\alpha, \qquad r_k = R\,\sqrt{\frac{k + \tfrac12}{N}} .

每顆種子比上一顆多轉α;平方根讓每顆新種子增加相同面積的一圈。種子沿著圓圈分布得多均勻,則取決於角度。這是赫爾穆特・沃格爾的向日葵花盤模型(1979)。

藍圈是數螺線的位置。頁面在這一圈找出眼睛看見的螺線,用黃線畫出:最近鄰的一族用實線,另一族用虛線,並在它們穿過圓圈的地方編號。

種子之間沒有連線,螺線是眼睛連出來的。第k+mk + m顆比第kk顆多轉了mαm\alpha。mαm\alpha接近整數圈時,兩顆種子幾乎朝向同一方向;如果半徑也相近,它們就是鄰居。這時把每顆種子連到它後面第mm顆,就會描出一族mm條螺線。黃金角是

α=360∘φ2≈137.508∘,φ=1+52,\alpha = \frac{360^\circ}{\varphi^2} \approx 137.508^\circ, \qquad \varphi = \frac{1 + \sqrt5}{2},

而在預設的圓圈上,

34×137.508∘≈13 圈−4.7∘,55×137.508∘≈21 圈+2.9∘,34 \times 137.508^\circ \approx 13 \text{ 圈} - 4.7^\circ, \qquad 55 \times 137.508^\circ \approx 21 \text{ 圈} + 2.9^\circ ,

因此編號相差34和55的種子最近,眼睛會看見34條和55條螺線。轉角略少於整數圈的一族往外朝一個方向繞,略多於整數圈的一族則朝另一個方向繞。

為什麼是費波那契數?讓mαm\alpha最接近整數圈的那些mm,可以從α以圈為單位表示的連分數讀出。黃金角的連分數在2之後,每一項都是1:

α360∘=1φ2=[0; 2,1,1,1,… ],12, 13, 25, 38, 513, 821, 1334, 2155, …\frac{\alpha}{360^\circ} = \frac{1}{\varphi^2} = [0;\, 2, 1, 1, 1, \dots], \qquad \frac12,\ \frac13,\ \frac25,\ \frac38,\ \frac5{13},\ \frac8{21},\ \frac{13}{34},\ \frac{21}{55},\ \dots

所以最好的近似分數,其分母都是費波那契數。這些分數交替落在α/360°的上下兩側,因此在黃金角下,兩族螺線的旋繞方向相反。圓圈上出現哪一對,取決於圓圈的位置。編號相差mm的兩顆種子,半徑和方向都略有差異;越往外,半徑差的影響越小,方向差的影響越大。因此在更外側,方向轉回得更近的一族會接替,即使其中種子的編號相差更多,螺線條數也就逐次升到下一個費波那契數。

接近黃金角的角度,也可能產生完全不同的圖案,連分數說明了原因。較大的項代表方向轉回得特別接近,可能讓旋臂格外明顯。黃金角的連分數在2之後全是1,讓方向維持均勻分布。小圖把前幾顆種子的方向畫在圓上:不論有多少顆,最長的間隙至多是最短間隙的φ2≈2.618\varphi^2 \approx 2.618倍。

植物不會測量角度,找空處也不指定角度。生長中的莖頂會接連形成原基,也就是葉或小花的芽。1868年,威廉・霍夫邁斯特觀察到:新的原基出現在舊原基之間最大的空隙,舊原基隨後逐漸遠離莖頂。找空處採用這條規則的簡化模型。從預設起點出發,當每次新生之間舊原基都被推得很遠時,新原基總是出現在上一個的對面。推移量減少後,角度離開180°,在137.5°附近擺動,最後穩定在137.47°附近,螺線條數也沿著費波那契數逐步增加。從其他起點出發,同一條規則也可能穩定在別處,例如99.7°附近。

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