自然對數e的由來？

自然對數e的由來？

螺線特別是對數螺線的美學意義可以用指數的形式來表達：
φkρ=αe
其中，α和k為常數，φ是極角，ρ是極徑，e是自然對數的底.為了討論方便，我們把e或由e經過一定變換和複合的形式定義為“自然律”.囙此，“自然律”的覈心是e，其值為2.71828……，是一個無限迴圈數.
數，美嗎？
1、數之美
人們很早就對數的美有深刻的認識.其中，西元前六世紀盛行於古希臘的畢達哥斯學派見解較為深刻.他們首先從數學和聲學的觀點去研究音樂節奏的和諧，發現聲音的質的差別（如長短、高低、輕重等）都是由發音體數量方面的差別决定的.例如發音體（如琴弦）長，聲音就長；振動速度快，聲音就高；振動速度慢，聲音就低.囙此，音樂的基本原則在於數量關係.
畢達哥斯學派把音樂中的和諧原理推廣到建築、雕刻等其它藝術，探求什麼樣的比例才會產生美的效果，得出了一些經驗性的規範.例如，在歐洲有長久影響的“黃金律”據說是他們發現的（有人說，是蔡泌於一八五四年提出了所謂的“黃金分割律”.所謂黃金分割律“就是取一根線分為兩部分，使長的那部分的平方等於短的那部分乘全線段.”“如果某物的長與寬是按照這個比例所組成的，那麼它就比由其它比例所組成的長方形‘要美’.”）.
這派學者還把數學與和諧的原則應用於天文學的研究，因而形成所謂“諸天音樂”或“宇宙和諧”的概念，認為天上諸星體在遵照一定的軌道運動中，也產生一種和諧的音樂.他們還認為，人體的機能也是和諧的，就象一個“小宇宙”.人體之所以美，是由於它各部分——頭、手、脚、五官等比例適當，動作協調；宇宙之所以美，是由於各個物質組織以及各個星體之間運行的速度、距離、周轉時間等等配合協調.這些都是數的和諧.
中國古代思想家們也有類似的觀點.道家的老子和周易《系辭傳》，都曾嘗試以數學解釋宇宙生成，後來又衍為周易象數派.《周易》中賁卦的表示樸素之美，離卦的表示華麗之美，以及所謂“極其數，遂定天下之象”，都是類似數學推理的結論.儒家的荀卿也說過：“萬物同宇宙而異體.無宜而有用為人，數也.”莊子把“小我”與“大我”一視同仁，“小年”與“大年”等量齊觀，也略同於畢達哥拉斯學派之把“小宇宙”和“大宇宙”互相印證.所謂“得之於手而應用於心，口不能言，有數存在焉與其間”.這種從數的和諧看出美的思想，深深地影響了後世的中國美學.
2、黃金律之美
黃金律歷來被染上瑰麗詭秘的色彩，被人們稱為“天然合理”的最美妙的形式比例.我們知道，黃金律不僅是構圖原則，也是自然事物的最佳狀態.中世紀義大利數學家費勃奈舍發現，許多植物葉片、花瓣以及松果殼瓣，從小到大的序列是以0.618:1的近似值排列的，這即是著名的“費勃奈舍數列”：1、2、3、5、8、13、21、34……動物身上的色彩圖案也大體符合黃金比.舞蹈教練、體操專家選擇人材製定的比列尺寸，例如肩寬和腰的比例、腰部以上與腰部以下的比列也都大體符合黃金比.
現代科學家還發現，當大腦呈現的“倍塔”腦電波的高頻與低頻之比是1:0.618的近似值（12.9赫茲與8赫茲之比）時，人的心身最具快感.甚至，當大自然的氣溫（23攝氏度）與人的體溫37攝氏度之比為0.618:1時，最適宜於人的身心健康，最使人感到舒適.另外，數學家們為工農業生產制度的優選法，所提出的配料最佳比例、組織結構的最佳比例等等，也都大體符合黃金律.
然而，這並不意味著黃金律比“自然律”更具有美學意義.我們可以證明，當對數螺線：
φkρ=αe
的等比取黃金律，即k=0.0765872，等比P1/P2=0.618時，則螺線中同一半徑線上相鄰極半徑之比都有黃金分割關係.事實上，當函數f（X）等於e的X次方時，取X為0.4812，那麼，f（X）=0.618……
囙此，黃金律被“自然律”邏輯所蘊含.換言之，“自然律”囊括了黃金律.
黃金律表現了事物的相對靜止狀態，而“自然律”則表現了事物運動發展的普遍狀態.囙此，從某種意義上說，黃金律是凝固的“自然律”，“自然律”是運動著的黃金律.
3、“自然律”之美
“自然律”是e及由e經過一定變換和複合的形式.e是“自然律”的精髓，在數學上它是函數：
1（1+——）
X的X次方，當X趨近無窮時的極限.
人們在研究一些實際問題，如物體的冷卻、細胞的繁殖、放射性元素的衰變時，都要研究
1（1+——）
X的X次方，當X趨近無窮時的極限.正是這種從無限變化中獲得的有限，從兩個相反方向發展（當X趨向正無窮大的時，上式的極限等於e=2.71828……，當X趨向負無窮大時候，上式的結果也等於e=2.71828……）得來的共同形式，充分體現了宇宙的形成、發展及衰亡的最本質的東西.
現代宇宙學表明，宇宙起源於“大爆炸”，而且現時還在膨脹，這種描述與十九世紀後半葉的兩個偉大發現之一的熵定律，即熱力學第二定律相吻合.熵定律指出，物質的演化總是朝著消滅資訊、瓦解秩序的方向，逐漸由複雜到簡單、由高級到低級不斷退化的過程.退化的極限就是無序的平衡，即熵最大的狀態，一種無為的死寂狀態.這過程看起來像什麼？只要我們看看天體照相中的旋渦星系的照片即不難理解.如果我們一定要找到亞里斯多德所說的那種動力因，那麼，可以把宇宙看成是由各個預先上緊的發條組織，或者乾脆把整個宇宙看成是一個巨大的發條，歷史不過是這種發條不斷爭取自由而放出能量的過程.
生命體的進化卻與之有相反的特點，它與熱力學第二定律描述的熵趨於極大不同，它使生命物質能避免趨向與環境衰退.任何生命都是耗散結構系統，它之所以能免於趨近最大的熵的死亡狀態，就是因為生命體能通過吃、喝、呼吸等新陳代謝的過程從環境中不斷吸取負熵.新陳代謝中本質的東西，乃是使有機體成功的消除了當它自身活著的時候不得不產生的全部熵.
“自然律”一方面體現了自然系統朝著一片混亂方向不斷瓦解的崩潰過程（如元素的衰變），另一方面又顯示了生命系統只有通過一種有序化過程才能維持自身穩定和促進自身的發展（如細胞繁殖）的本質.正是具有這種把有序和無序、生機與死寂寓於同一形式的特點，“自然律”才在美學上有重要價值.
如果荒僻不毛、浩瀚無際的大漠是“自然律”無序死寂的熵增狀態，那麼廣闊無垠、生機盎然的草原是“自然律”有序而欣欣向榮的動態穩定結構.囙此，大漠使人感到肅穆、蒼茫，令人沉思，讓人回想起生命歷程的種種困頓和坎坷；而草原則使人興奮、雀躍，讓人感到生命的歡樂和幸福.
e=2.71828……是“自然律”的一種量的表達.“自然律”的形象表達是螺線.螺線的數學運算式通常有下麵五種：（1）對數螺線；（2）阿基米德螺線；（3）連鎖螺線；（4）雙曲螺線；（5）迴旋螺線.對數螺線在自然界中最為普遍存在，其它螺線也與對數螺線有一定的關係，不過現時我們仍未找到螺線的通式.對數螺線是1638年經笛卡爾引進的，後來瑞士數學家雅各·伯努利曾詳細研究過它，發現對數螺線的漸屈線和漸伸線仍是對數螺線，極點在對數螺線各點的切線仍是對數螺線，等等.伯努利對這些有趣的性質驚歎不止，竟留下遺囑要將對數螺線畫在自己的墓碑上.
英國著名畫家和藝術理論家荷迦茲深深感到：旋渦形或螺線形逐漸縮小到它們的中心，都是美的形狀.事實上，我們也很容易在古今的藝術大師的作品中找到螺線.為什麼我們的感覺、我們的“精神的”眼睛經常能够本能地和直觀地從這樣一種螺線的形式中得到滿足呢？這難道不意味著我們的精神，我們的“內在”世界同外在世界之間有一種比歷史更原始的同構對應關係嗎？
我們知道，作為生命現象的基礎物質蛋白質，在生命物體內參與著生命過程的整個工作，它的功能所以這樣複雜高效和奧秘無窮，是同其結構緊密相關的.化學家們發現蛋白質的多鈦鏈主要是螺旋狀的，决定遺傳的物質——核酸結構也是螺螺狀的.
古希臘人有一種稱為風鳴琴的樂器，當它的琴弦在風中振動時，能產生優美悅耳的音調.這種音調就是所謂的“渦流尾迹效應”.讓人深思的是，人類經過漫長歲月進化而成的聽覺器官的內耳結構也具渦旋狀.這是為便於欣賞古希臘人的風鳴琴嗎？還有我們的指紋、發旋等等，這種審美主體的生理結構與外在世界的同構對應，也就是“內在”與“外在”和諧的自然基礎.
有人說數學美是“一”的光輝，它具有盡可能多的變換群作用下的不變性，也即是擁有自然普通規律的表現，是“多”與“一”的統一，那麼“自然律”也同樣閃爍著“一”的光輝.誰能說清e= 2.71828……給數學家帶來多少方便和成功？人們讚揚直線的剛勁、明朗和坦率，欣賞曲線的優美、變化與含蓄，殊不知任何直線和曲線都可以從螺線中取出足够的部分來組成.有人說美是主體和客體的同一，是內在精神世界同外在物質世界的統一，那麼“自然律”也同樣有這種統一.人類的認識是按否定之否定規律發展的，社會、自然的歷史也遵循著這種辯證發展規律，是什麼給予這種形式以生動形象的表達呢？螺線！
有人說美在於事物的節奏，“自然律”也具有這種節奏；有人說美是動態的平衡、變化中的永恒，那麼“自然律”也同樣是動態的平衡、變化中的永恒；有人說美在於事物的力動結構，那麼“