為什麼大自然充滿圖案？

本文首次發表於我們的免費數位雜誌第 7 期好奇的。

在科學中，我們經常偶然發現關於什麼是真實的、什麼是感知的深刻問題。 量子力學和測不準原理例如，是粉絲的最愛。 我們可能遇到的一個更微妙的問題是關於自然發生的模式。 從雪花到北愛爾蘭巨人之路、羅馬花椰菜到土星的極地雲，為什麼大自然不斷排列自己的圖案？

人類非常善於發現模式，以至於我們有時會欺騙自己看到不存在的東西。 這種現像被稱為幻想性視錯覺，它讓我們以隨機或模糊的視覺模式看到有意義的圖像，這可能對我們的生存至關重要。 我們在雲中看到形狀、在眼窩中看到臉、在火星上看到老鼠，都是有原因的。

那麼，大自然是否真的充滿了模式，或者我們只是太善於觀察它們，而不管它們是否存在？ 正如這些有趣的科學困境的情況一樣，答案遠非簡單，也遠非確定。

從強大的六邊形到分子晶體

對我們來說，許多自然結構都有獨特的模式，所以我們為它們命名。 以六邊形的六邊形為例。 一旦它有了一個可識別的名稱和形狀，它就開始出現在各處，儘管可能有許多不同的原因。 眾所周知，土星的極渦呈六邊形。 覆蓋地球北極頂部的六面風暴被認為是由較小的風暴與較大的氣旋相互作用，在這個六邊形中找到了一種平衡。

離家較近的是北愛爾蘭巨人堤道的六角柱。 它們的自然形狀是由於這些結構的冷卻當它們還是熔岩時。 當它們冷卻時，第一條裂縫以 90 度角出現，但很快就演變成 120 度角，釋放出更多能量，形成了我們今天看到的圖案。

最容易辨認的六角形圖案可能是雪花的六角形圖案，其六分支版本是由於水分子中氧原子和氫原子之間的角度而形成的。 不過，這不僅僅是六邊形，還有許多由小化學鍵產生的幾何圖案，最終形成大型複雜晶體。 黃鐵礦就是一個漂亮且極為立方體的例子。

北達科他州立大學教授安德魯·克羅爾 (Andrew Croll) 告訴 IFLscience：“分子晶體之所以形成這樣的形式，是因為這是它們將總能量最小化的方式。” 「它們只是更適合，就像蛋車裡的雞蛋一樣。 它們會滾進這些小洞裡，然後坐在那裡。

但克羅爾強調，在自然界中創建結構的方法有很多種，即使是乍看之下根本不適合模式的東西。 一個例子是一種稱為嵌段共聚物的分子。 聚合物是由重複子單元組成的長分子鏈。 它們用於製造塑料，通常呈無序層狀。

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但在嵌段共聚物中，兩種或多種相互排斥的聚合物被束縛在一起，產生了一些有趣的圖案。 兩個相同長度的結構可能最終形成交替的層結構，但透過改變長度，可以創建具有熟悉或不太熟悉的幾何圖案的曲率結構。 而且它們也有令人驚訝的共同應用。

「就實際市場應用而言，我知道嵌段共聚物有鞋膠之類的東西。 因此，鞋子中的橡膠往往是三嵌段共聚物，因此可能會有一個聚苯乙烯嵌段，然後是一個大的彈性鏈，然後是另一個聚苯乙烯嵌段，」克羅爾解釋道。 另一種應用包括尿布中的吸收材料。

需要電腦天才才能看到隨機性的模式

有些自然圖案並不遵循重複形狀的整齊幾何規則，但它們仍然是獨特的。 我們可以將老虎或斑馬上的條紋或豹子上的斑點識別為特定的自然圖案，即使它們不是規則的幾何圖案。

這些模式以英國數學天才、計算領域之父的名字命名為圖靈模式，他在 1952 年發表了一篇題為“形態發生的化學基礎「研究出了斑點和條紋結構如何在沒有同質和均勻狀態輸入的情況下自然形成。

「當你想到豹子上的斑點或老虎身上的條紋時，這些圖案中都有這種元素，即條紋或斑點，它們是重複的，但並不是完美的重複。 比如說，棋盤格並不存在完美的規律性。 但這種形狀、這種特徵仍然在太空中重複出現，」北達科他州立大學心理學教授 Ben Balas 告訴 IFLScience。

巴拉斯的工作重點是了解人類如何看待這些和其他類型的自然模式並識別它們的本質，他說這是一個「巨大的問題」。 它不僅試圖了解您是否可以區分斑馬圖案或豹紋圖案，還試圖了解紋理是光滑還是粗糙、閃亮還是暗淡等。

「我們在實驗室裡對這個我們稱之為匯總統計的想法進行了很多思考，」巴拉斯解釋道。 「當你考慮到辨識人臉或物體等物體時，我們常常會想到非常在意物體在圖片中具體位置的描述。 對於一張臉來說，重要的是這裡有一隻眼睛，這裡有一隻眼睛，還有鼻子和嘴巴。

「紋理是不同的，因為這些東西分散在圖像上。 你在豹子身上看到這個斑點的確切位置並不重要。 重要的是你看到了分佈在這張圖像上的斑點。

摘要統計數據是關於模式的要點而不是細節。 巴拉斯的團隊正在研究測量模式的獨特之處，並利用測量到的數量來創建新的模式，以了解我們的大腦與它們之間的關係。

我們看到我們看到的和我們想看到的

作為人類，我們理解紋理和圖案的能力對於生存具有重要作用。 例如，透過觀察我們吃的東西，從它們的光澤到刺痛，我們可以快速判斷它們的食用安全性。

「我們的世界不僅僅是由隨機圖像組成的。 我們所看到的有這些規律。 我們現在了解到，人類視覺系統有很多方法可以適應這些規律。

模式識別可能不只一次拯救了我們的祖先，而他們生存所需的東西，我們現在每天使用的東西遠遠超出了他們的夢想。

「我們的大腦不斷地試圖理解外在世界。 大腦實現這一目標的一種方法是檢測和學習模式，這些模式本質上是環境中的統計規律，因為這些模式幫助大腦決定如何反應或行為以求生存，」昆士蘭大學的 Jess Taubert 博士，告訴IFLScience 。

但如此強大的尋找模式的工具也可能被愚弄，看到不存在的東西。 這就是所謂的視覺現象幻想性幻想。 我們經常遇到的一種類型是面部幻想性視錯覺，即我們看到無生命物體中的臉孔例如房屋、岩石和蔬菜。

「我們之所以相信臉部空想症如此普遍，是因為我們的視覺系統針對臉部偵測進行了最佳化。 這是因為知道周圍有人（以及他們是朋友還是敵人）對於我們作為社會靈長類動物的生存非常重要。 但這種對面孔過度敏感的副作用是，我們有時會看到根本沒有面孔的面孔，」陶伯特博士解釋道。

大自然有豐富的圖案，從奈米級到巨大的天體結構，我們非常適合欣賞這些圖案。 但我們這種出色的技能有時也太好了，讓我們看到了一個不真正存在的模式。

好奇雜誌是來自 IFLScience 的數位雜誌，內容包括採訪、專家、深入探討、有趣的事實、新聞、書籍摘錄等等。第10期現已出版。