黄金角 · 数螺线

叶序

叶序是叶、小花或种子绕着茎排列的方式。让每颗种子比上一颗多转同一个角:这个角是黄金角(约137.5°)时,种子均匀铺满圆盘,眼睛看到两组螺线,条数是相邻的斐波那契数,就像向日葵的花盘。

叶序与本页画面

叶序是叶、小花或种子在植物上的排列方式。向日葵花盘上的种子排成两族螺线,两族的条数常常是相邻的斐波那契数。在这一页,你可以在一盘种子的任何地方数螺线,看角度差一点会怎样,再看一条不含角度的规则怎样自己走到黄金角附近。在“定角”下,NN颗种子里的第kk颗(从0数起)放在

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

每颗种子比上一颗多转α;开平方让每颗新种子添上同样面积的一圈,至于种子沿着圆圈铺得匀不匀,要看转角。这是Helmut Vogel的向日葵花盘模型(1979)。

蓝圈是数螺线的地方。页面在这一圈上找出眼睛看到的螺线,用黄线画出来,最近的一族画实线,另一族画虚线,并在它们穿过圆圈的地方编号。

种子之间并没有连线,螺线是眼睛连出来的。第k+mk + m颗比第kk颗多转了mαm\alpha。mαm\alpha接近整数圈时,两颗几乎指向同一方向;要是半径也相近,它们就是邻居。这时把每颗种子和它后面第mm颗连起来,就描出一族mm条螺线。黄金角是

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

在默认的圆圈上,

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 ,

所以相隔34颗和相隔55颗的种子最近,眼睛看到34条螺线和55条螺线。差一点不到整圈的一族往外朝一个方向绕,超过一点的一族朝另一个方向绕。

为什么是斐波那契数?让mαm\alpha最接近整圈的那些mm,可以从α(以圈为单位)的连分数读出来。黄金角的连分数,2后面的项全是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

所以它最好的那些分数,分母都是斐波那契数。这些分数轮流落在α/360°的两侧,所以在黄金角下,两族螺线绕的方向相反。圆圈上看到哪一对,取决于圆圈在哪里。相隔mm颗的两颗种子,半径差一点,方向也差一点;越往外,半径的差越不要紧,方向的差越要紧。所以越往外,方向转回得更近的一族就会接替,哪怕它的种子相隔更多颗;条数也就一次升一个斐波那契数。

离黄金角很近的角,看起来可以完全不同,连分数说明了原因。连分数里的大项表示方向转回得特别近,这可能让旋臂格外明显。黄金角的连分数在2后面全是1,方向始终铺得均匀。嵌入屏把前面几颗种子的方向画在一个圆上:不论有多少颗,最长的空隙至多是最短的φ2≈2.618\varphi^2 \approx 2.618倍。

植物并不量角度,“找空处”也不给角度。生长的茎尖一个接一个地长出原基,也就是叶或小花的芽。1868年,Wilhelm Hofmeister观察到:新的原基长在老原基之间最大的空当里,老原基随后离茎尖越来越远。“找空处”运行的是这条规则的简化模型。从默认的起点出发,起初每次出生之间老原基被推得很远,新的原基都长在上一个的对面。推得越来越少以后,角度离开180°,在137.5°附近来回摆,最后停在137.47°附近,螺线也一步步升到更大的斐波那契数。从别的起点出发,同一条规则也可能停在别处,例如99.7°附近。

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