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万物自有形：线

知识就是力量，欢迎回到.

自然万物的形状、大小和颜色种类繁多，令人目不暇接。所以，我们的注意力也常常被大量的细枝末节所牵绊，只觉得千头万绪、无所适从。但是实际上，当我们抛开这些琐碎的细节，仅把目光停留在事物的外形之上时，就会发现，截然不同的万物虽然拥有着五花八门、变化万千的形状、材料和大小，但其背后却隐藏着惊人的相似之处。当我们采取这种视角后，展现在眼前的就将是另一个全然不同的世界，身处其中的我们会渐渐发现隐藏在美丽背后的智慧，而这智慧，便是那些普遍且相通的形状。

比如说，当我们凭借本能来观察世界的时候，看到蜿蜒的河流可能就会联想到蛇，看到叶子上的脉络，可能就会联想到干裂的大地，而看到水母的形状，则会连线到原子弹爆炸时产生的可怖的蘑菇云。乍看起来，这些例子说明不了深层次的问题，无非就是为小学作为提供比喻用的素材了。但这种不相干的事物通过相似的形状联系起来，实则有着十分深远的意义。因为这些形状，并未造物主随随便便的无心之举，而是有着深刻的科学内涵。它们的存在，也正是我们洞察大自然秘密的路径所在。所以接下来几天的系列节目，就让我们探寻形状背后的秘密，走进万物自有形的世界。

今天要说的第一种形状就是随处可见的“线”。天地之间有各种线条，这些线条看似各不相同，但实则万变不离其宗，它们有的笔直，有的弯折，有的起伏如波浪，有的回环曲折，还有的繁茂似枝杈，那么这些线条背后的秘密何在呢？

首先我们来看最为常见的直线。当我们走在松树林中，或是看一看从天而降的雨水，抑或是穿过云层的阳光时，我们会看到很多直线。所谓的直线，就是没有弯曲的线，固体、液体或光线都能形成直线。直线无处不在的原因有两个，按照数学家的说法，直线是两点之间的最短距离，而按照物理学家的说法，大自然也是贪图省力的。这样看来，松树面对树林中的激烈竞争，为了争夺生存所必需的阳光，从而笔直地向天空生长完全顺理成章。同样的道理，雨水在地球引力的作用下垂直下落，冰锥也严格地遵循垂直法则，太阳射出的光线不会拐弯抹角，一定是直行。这些都说明直线是最简单、最经济、效率也最高的形状，所以它们随处可见也就不足为奇了。

松树林

冰锥

接下来我们来看折线。与直线所体现出的平静相去甚远的是，以闪电或地质断裂等为代表的折线，展现的则是一股强大的力量。不论是空中还是陆地上的裂缝，它们都是力量猛烈释放的标志。折线断断续续地延伸开去，分叉无数，最后释放掉携带的全部能量，而这些能量正是折线诞生的始作俑者。所不同的是，闪电释放的是电能，而断层释放的则是机械能，但不论是什么形式，能量都是决定裂痕大致走向的根本动力。在能量延伸的过程中，会遇到各种阻碍，由此便发生了变向。比如对于地质裂缝来说，为了把力传导出去，裂缝的末端必须把遭遇的岩石、小颗粒，甚至某些原子一律分开，由于构成地层的材料并不均匀，就导致了受力不均，最终便造就了曲折的裂纹。闪电也是同样的道理，形成闪电的大量电子必须突破大气的重重阻碍，最终形成了撕裂天空的震撼效果。可见，闪电和断层的折线轨迹是难以预测的，另外，树形分叉的存在证明裂缝也可能有其他的走向。尽管这些被数学家称为“分形线”的折线，总是杂乱无章、断断续续、毫无规律可循，但它们都是剧烈的分崩离析后留下的痕迹。

闪电

圣安地列斯断层

迷宫形在自然界中也很常见，这些线条的特点是：分开却不分散，接近却不接触。比较典型的就是珊瑚虫。珊瑚虫的分泌物所形成的钙化环状物质会越积越多，珊瑚虫的生存空间也会变得越来越拥挤。但为了相互间保持一定的距离，它们之间又必须相互排斥。在这场博弈中没有赢家，每个个体只能各安其位，尽可能地蜷曲自己，在夹缝中求生存。

珊瑚虫形成的迷宫

如果让你猜一种东西，它有主干、分支、枝杈和更细的分叉，那么这是什么东西呢？你可能会毫不犹豫地说，这是树。但实际上答案有很多，比如河口三角洲、柳珊瑚、血管、雪花和菌落等等。树形的特点是，从树形的一个顶端到其他任意顶端的路径都是唯一的，绝不会发生抢跑道的情况，所以这个几何结构不怕摊子铺得很大，可以充分地伸展开。那么为什么自然界为什么会有那么多和树木形状相似的物体呢？我们先来看树，树分泌的一种激素能抑制树枝周围长出新枝，同样的，新长出的嫩茎也会向周围的同胞发出“别长在我身边”的明确信号。一样的道理，僧多粥少的菌落和靠汲取身边的水分子来扩充自己的雪花，它们之所以呈现为树形，原因也在于此。也就是说，既然局部的养料只能用来满足处于旺盛生长阶段的组织，那么新生的组织就只能到别处谋生。这种相互间保持距离的倾向，同样造就了血管与河口三角洲的形状。人体的血管，除了直接与心脏相连的大血管外，其余的都很细小，它们长得一模一样，没有主次之分。当血液流入连接在这些血管上的毛细血管时，毛细血管被扩张，进入血管的血液量也随之增大，直至毛细血管成熟。这样一来，这条血管上就多了一个分支。不过此长彼消，这条血管血液量的增加，会导致它临近血管的供血不足或萎缩。可见，一条血管只有跟其他血管保持相当的距离，才能保证血液不被过度分流，从而长出新的毛细血管。在上面这些生长过程中，不论是雪花、大树还是血管，我们都可以看到，处于生长阶段的组织会利用资源优势排挤周围的竞争对手，所以最终的构造只能是树形。

树杈

尼罗河三角洲

血管

关于线，今天要说的最后一个就是常见的曲线了。大江大河、蚯蚓、蛇都是蜿蜒的曲线，类似的形状还有躺在地上的塑胶水管和卷曲的金属线等等。那么曲线为什么普遍存在呢？答案要从椭圆积分中寻找，椭圆积分告诉我们，曲线是最柔和、最均匀的线条。也就是说，从数学角度看，曲线是方向变化最小的线条。蛇采用这种姿势自然很舒适，因为此时它受到的扭力最小。同样的道理，弯弯曲曲的水管和金属线受到的扭力也最小，形态也最稳定。而河流蛇形则是为了开辟道路，当河流通过某个急弯时，河水会侵蚀冲刷河岸，被河水冲走的河岸物质在稍远处沉积下来，这样原先过急的弯道就平缓了。最后，河流把所有的急弯都冲刷成了平缓的弯道，节省了过急弯时浪费的能量。所以河流在平原上也会蜿蜒而行，画出一道道优美的曲线。

水管

亚马逊河

线说完了，下一步就该是“面”了，关于面，就请看下集《万物自有形：面》。