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“天人合一”在六边形里(二)

(2009-07-30 21:48:36)
标签:

杂谈

分类: 署名文章

    “天人合一”在六边形里(二)

   

 

    

“天人合一”在六边形里(二)

在英国北爱尔兰安特里姆郡的海岸边,同样有一片均匀的玄武岩石柱,那就是著名的“巨石堤”。相比于福建南碇岛,这里石柱的截面直径平均要长十几厘米,4 万多根玄武岩岩柱仿佛构成一道通向大海的阶梯。

 

“天人合一”在六边形里(二)

美国的加利福尼亚也分布有整齐的节理岩柱,在摄影师的鱼眼镜头中,大地仿佛是用一块块多边形的地板砖拼接而成的球面。

“天人合一”在六边形里(二)

在张家口张北县的大疙瘩村,这里的石柱被土壤覆盖,地表只露出些许石墩。在风雨的侵蚀下,石柱的棱角已被磨得圆滑了。

 

“天人合一”在六边形里(二)

浙江宁波花岙岛的火山岩柱及附近的土壤富含铁元素,因而呈现出黄色。

“天人合一”在六边形里(二)

除去东部沿海地区,我国西部也有火山岩石柱的分布。云南省腾冲县的这些柱状节理大约形成于3 万年前,是我国迄今为止发现的最为年轻的一片石柱。俯视下去,直上直下的石柱棱角分明,让人触目惊心。

 

    仅仅是大海中的南碇岛上那些神奇的玄武岩石柱,还不足以激发我去寻找石柱群的愿望。只是在看到自然和人类的共通之处或者说统一性后,我才生发了在北京周边寻找石柱群的愿望。

    车从北京出发了,向北方蒙古高原开去。车上有我和摄影师马宏杰、张华杰,还有中国地质大学的张招崇教授。张教授是专门研究火山岩的,而我们要找的岩柱群都属于火山岩。

    张家口北面张北县的台路沟乡,有一个村叫大石疙瘩村,在这里我们看到了一处石柱群。这组石柱总面积不大,石柱也不高,就像埋在地里刚被挖出来一样。路边有个牌子,上面写着“保护自然奇观”,看来这里的人们早已认识到了石柱群的价值。张教授捡起一块石头说:“这是玄武岩石柱群。”

    我摩挲着那块石头,直接探入我感兴趣的最基本的问题:为什么眼前石柱的截面为六边形?

张教授说:“这种岩柱的节理是玄武岩熔岩冷却收缩时形成的。炽热的熔融状态的岩浆随着火山喷发流出,流到洼地或者河谷停下来,慢慢地冷却。在冷却过程中,岩浆表面张力变小,已经不足以维持原来较大的面积,必然要产生裂隙,也就是节理,而且玄武岩熔岩的裂隙还会笔直向下地传递。由于成分均匀,岩浆的收缩力非常平均,收缩时产生的裂隙节理也是均匀的,于是就形成了规则的图案。那么这种规则的图案会是什么形状呢?

    想象一下泥潭底部厚厚的一层淤泥在阳光暴晒下龟裂时的情景,这其中有一个所谓的空间填充原理:在一个平面中,只有正三角形、正四边形、正六边形三种图形可以完全填满平面,即不互相重叠,也不留下空隙。但是在这三种图形中,如果同样的周长,正六边形的面积最大。也就是说,六边形具有‘完全充填’和‘最具效率’的双重优势。

 

“天人合一”在六边形里(二)

六边形的材料虽可用来铺地板,但要把它们结成一个球形,就需要其他的多边形材料来帮忙。比如,传统的足球多是由20 块六边形和12 块五边形的皮块拼接而成。不仅如此,足球球门上挂的球网也多是由六边形的绳结构成,这样的设计让网面受力均匀而结实。

“天人合一”在六边形里(二)

把叶的下表皮细胞放在显微镜下观察,会发现多边形的细胞壁把叶面分割成了一个个形状各异的小多边形。

“天人合一”在六边形里(二)

 “鸟巢”侧畔的国家游泳中心——水立方,其外墙通体被六边形、五边形为主的蓝色“肥皂泡”所覆盖。肥皂泡总是会以最小的表面积包围出最大的体积,以节省表面能量。因此,当大量肥皂泡被压缩时就会形成以多边形组合成的交界面。而这种设计不但节省了水立方的建筑材料,也赋予其十足的现代感。

“天人合一”在六边形里(二)“天人合一”在六边形里(二)“天人合一”在六边形里(二)

冬天雪花的形状多呈现六边形,这也是分子排布的省事策略。对于水分子来说,按六边形结合所需要的能量最少,水在结冰的时候,一个水分子与邻近的四个水分子纠结在一起,形成蜂窝状的结构。这个结构很容易向水平方向发展,当很多水分子来到这里集合时,便形成了一个很大的平面六边形。然而在日常生活中的冰极少呈现规则的雪花状,只有在空中,一个小冰晶的6 个棱角处于同样的环境,受着同样的力,也就形成了非常规则的形状。

“天人合一”在六边形里(二)

蜂房由无数个大小相近的房孔组成,房孔都是正六边形,每两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。假设蜂巢呈圆形或八角形,房孔间就会出现空隙;如果是三角形或四边形,则空间分配与体形近于圆柱的蜜蜂很难匹配。

“天人合一”在六边形里(二)

水晶是一种石英结晶矿物体,属于三方晶系矿物。三方晶系矿物具有4 个结晶轴,其中3 个轴互以120度相交形成一个平面,第四轴与平面垂直。矿物沿4 个轴的方向生长,发育为六棱柱。

“天人合一”在六边形里(二)

制作巨型天文望远镜的过程中,现在常用的技术手段便是通过一组六边形的镜块拼接出直径近于10 米的巨大镜面。技术人员需要逐一对镜块进行测量,以保证拼接后的成像效果万无一失。

“天人合一”在六边形里(二)

蜘蛛按照花冠的框架,搭建出了多边形的蛛网。无论岩柱节理、城市结构还是一花一虫,其间暗暗蕴含着相似的几何图案。

“天人合一”在六边形里(二)

在分子尺度下,同样不难发现六边形的踪影。比如这些聚酯类的高分子化合物,便是由大小不一的六边形晶体构成。

 

    可以说,岩浆冷却收缩时,只有形成一个个相等的正六边形,才能耗能最小。”

    这时,我的脑海中突然蹦出了一个自然界最普遍的原理——最小作用量原理。作为研究光线的反射和折射的结果,法国科学家费尔马曾得出这样的结论:“自然界总是通过 最短的途径发生作用的。1744年法国著名物理学家莫培督(Pierre de Maupertuis)在一篇著名论文中写道:“自然界总是通过最简单的方法产生作用。如果一个物体必须没有任何阻碍地从这一点到另一点——自然界就利用最短的途径和最快的速度来引导它。” 1744 年4月,法国科学院的一份报告把这个原理总结为最一般的规律:任何不受影响的动力学系统在发生变化时,其变化方式 总是使有关的作用量为最小。这个原理称为最小作用量原理。

    在炽热的玄武岩岩浆冷却成岩的过程中,显然自然界利用了神奇的六边形,使路径最短、速度最快、作用量最小。

“天人合一”在六边形里(二)

与几乎所有流体的性质一样,岩浆在冷却的时候也会发生收缩。这种收缩会在冷却表面产生张应力,而这种张应力会积累聚集于某一点,导致岩石碎裂。当岩浆的冷却面与周围环境均匀接触时,会产生与接触面垂直的裂缝,并且由开裂点以120度夹角朝3 个方向展开,形成一个个六边形。通常情况下,熔岩的冷却裂缝都是不规则的,在野外观察中常见的是五边形或者四边形。但是在那些发育良好的情况下,这些六边形构造却是非常惊人的。这是因为在相等边长的条件下,六边形所能围成的区域面积最大,同时也能完全覆盖整个表面而不留任何空隙。在这种情况下节理所需要耗费的能量最小,因此六边形就成了岩石最理想的节理形态。

“天人合一”在六边形里(二)

理想状况下,玄武岩石柱应该多为蜂巢般规则的正六边形。但在石块的实际碎裂过程中,由于复杂内、外力的干扰,四边形、五边形、七边形、八边形甚至十边形、十二边形的节理都有可能产生。

 

     但是为什么人类建造的聚落也遵循六边形的结构分布呢?

    我想到了一条所谓的“人类最小努力原理”。人类总是希望付出最小的努力,得到最大的回报。

    比如城市的诞生,如果仅仅从经济的角度考虑,无非是人类把货物和服务聚在一起的结果。为什么要把货物和服务聚在一起呢?为了走最少的路,花最少的钱和时间得到人们想要的东西。

    消费者希望得到某种商品和服务出行的距离越小越好。

    商家希望他的商业中心的辐射半径越大越好。这样他就可以坐享其成,不用建立更多的代销机构。

    也许正是石头的“最小作用量原理”与人类“最小努力原理”的惊人一致,造就了石柱群的截面与人类的城镇分布网络结构惊人的一致。

 

“天人合一”在六边形里(二)

“巨石堤”仿佛是由无数六边形砖块铺成的平台,摄影师拍摄时往两块石面上打了一道红光,犹如揭开了熔岩上面冷凝结成的硬壳,让我们感受到了当初岩浆溢流时的场景。

 

 

     回到北京后,我让同事寻找一些与六边形相关的图片,并把图片按内容分成两类:一类是自然,一类是人文。

    第二天,他就找来了许多。自然界的有:蜂巢、雪花、树叶的表皮细胞……人文的有:铅笔、球网、螺帽……

    忽然他问我:“你说这算自然还是人文?”

    我看了一眼他手中的纸,上面写着:人眼内一些单层细胞组织的细胞常为正六边形。如角膜内皮细胞、血管内皮细胞、视网膜色素细胞……这些细胞为正六边形的意义在于,细胞排列紧密,位置稳定。大小相等的四边形排列起来,一旦受到外力作用,就会滑动,而正六边形排列,无论哪个方向受力,细胞之间都不会滑脱,有利于细胞之间连接稳定、形成屏障功能等。

    这当然应该算作自然,这是进化的结果。

    晚上,回家时,看到楼下的一家“奇石店”关闭了,正在搬家,而旁边的“丽丽超市”却人来人往。在一个住宅小区里,卖奇石的商店很难生存,因为买观赏的奇石,是人的高级需求,只有极少数人有这种需求,因此奇石店需要很大很大的销售半径,一个小区作为腹地根本就维持不了生存。看来店主没掌握“六边形的奥秘”。

    在六边形没有形成之前,结构是不稳定的,只有六边形形成了,结构才趋于稳定。这有些像植物经过竞争,最后会达到一个所谓的“顶级群落”,这时就稳定了。

    那么是否可以说,人类聚落——城镇分布的六边形在很大程度上也是竞争和进化的结果呢?

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