Статус математики в отношении природных процессов долгое время был не определён. В действительности нет точек, прямых линий, идеальных кругов и других фигур геометрии Евклида. Поэтому с точки зрения здравого смысла математика – это игра разума и задача познания с целью лишь описания явлений и их классификации. Вследствие этого древнегреческое знание не создало физику и естествознание. Создать физику и другие естественные науки − значит применить к действительности однородные точные математические и геометрические законы.
Только в Новое время Галилей, Ньютон и их последователи смогли обнаружить эти простые формы в механическом движении и простых механических системах. Тем не менее многие природные системы обладают огромной степенью сложности, несравнимой с использованием простых образов классической геометрии, поэтому их моделирование на такой основе оказывается попросту невозможным. Действительно, как построить модели кроны деревьев, горного хребта, изрезанной береговой линии в понятиях евклидовой геометрии? Как смоделировать сложные биологические объекты, обладающие многообразной конфигурацией, такие как нейронная сеть, система кровообращения, ацинусное строение легких, структура почек?..
Столь сложной оказывается и динамическое поведение природных процессов, например, турбулентность, ритмы сердца и головного мозга. Для моделирования подобных явлений в конце ХХ века был создан новый тип геометрии, получившей название фрактальной. Термин фрактал был введён американским математиком Бенуа Мандельбротом в 1983 году, когда вышла его книга «Фрактальная геометрия природы». Фракталы − это прежде всего язык геометрии, но они выражаются в алгоритмах, наборах своего рода математических процедур, которые трансформируются в геометрические формы с помощью компьютеров. Основной принцип строения фрактала «всё во всём» или, как отмечают математики, он обладает инвариантной структурой относительно масштабирования. Это значит, что он проявляет одинаковое строение на разных уровнях масштаба и кроме этого обладает дробной размерностью в отличие от линий и площадей, имеющих целостное значение.
Существует два типа основных алгоритмов, каждый из которых имеет огромное многообразие комбинаций: линейные и нелинейные. Линейный алгоритм можно представить в виде копировальной машины, которая может сжимать, т.е. уменьшать изображение или увеличивать его. Таким образом, благодаря повторяющимся операциям, формируется образ объекта. Примером работы таких алгоритмов является изображение листа папоротника, треугольник Вацлава Серпинского, впервые описавшего этот объект ещё в 1916 году. Треугольник Серпинского обладает самоподобием, выражающемся в том, что каждая его часть, сколь малой она не была бы, воспроизводит структуру всего большого треугольника.
Другой тип фрактальных алгоритмов является нелинейным. Для этого используются итерационные алгоритмы, имеющие степенные функции, иногда реализуемые в комплексных числах. Собственно такое изображение было получено Мандельбротом и получило название в его честь.
Не смотря на то, что в принципе эти функции достаточно просты, но при проведении компьютером огромного количества операций, с их помощью удаётся строить модели горных массивов, и в принципе любых природных и биологических объектов. Поэтому фрактальная геометрия является языком структур, и сомнения в её применимости к многообразию природы отпадают. Причём это не только просто воспроизведение сложных объектов природы, фрактальная геометрия даёт количественные характеристики тех или иных сложных объектов, выраженные в понятиях фрактальной размерности, например, Хаусдорфа-Безиковича, Минковского и других.
Оказалось, что и динамические системы, демонстрирующие сложное хаотическое поведение при их моделировании, воспроизводят фрактальную структуру. К таковым можно отнести аттрактор Лоренца, возникающий в погодных явлениях, универсальность Фейгенбаума в турбулентности и даже в броуновском движении. Более того, если при визуализации тех или иных процессов для этого используется аппарат построения фазового пространства состояний, возникает фрактал, то, как правило, это след хаоса.
Фрактальная геометрия не только оказалась языком природы, но и методом исследования сложных динамических систем. При этом особый интерес представляет её применение в области физиологии человека и медицине, но это будет изложено уже во 2-ой части статьи.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Другие материалы рубрики «Микро- и мегамир, хаос и теория катастроф»: