混沌与分形(二):分形的奇迹

作者: 黄逸文

来源: 科学大院

发布日期: 2019-01-19 10:38:10

本文介绍了分形的概念及其在自然界中的广泛应用,探讨了分形几何学的起源和发展,以及它在科学和社会中的深远影响。文章还提到了分形在自然界中的各种表现形式,以及分形几何学如何帮助解决许多学科中的难题。

混沌的秘密,不可思议地隐藏在分形的世界里。分形(fractal),该术语最早是由美国数学家曼德勃罗(Mandelbrot)于1973年提出。在其名著《大自然的分形几何学》中,曼德勃罗开创了分形几何学。分形几何以及与其相关的非线性理论,很快就显示出强大的生命力,其影响迅速遍及科学和社会的每个角落。许多学科中的难题,因为分形的介入而焕然一新。

生活中常见的花菜、雷雨过后的闪电、凛冬漫天飞舞的雪花、贝壳身上的螺旋图案,小至各种植物的结构及形态,遍布人体全身纵横交错的血管,大到天空中聚散不定的白云、连绵起伏的群山,它们都或多或少表现出分形的特征。分形如此广泛地分布在自然界中,却又与千百年来的智者擦肩而过。它的发现,正式揭开了大自然最迷人和动人的奥义之一。

早在两千多年前的古希腊时代,人们最杰出的成就来自数论与几何,特别是欧几里得几何的建立,更使得几何学成为最严格和易于把握的公理化体系。一切都是那么的直观,历史在平静地流淌。直到有一天,一件匪夷所思的事打破了人们对维度的信念。1890年,意大利数学家皮亚诺(Piano)构造了一种奇怪的曲线,该曲线自身并不相交,但是它却能通过一个正方形内部所有的点。

维度概念的扩展,则得益于德国数学家豪斯多夫(Hausdorff)。他在1919年提出了维度的新定义。该定义为人们成功驱散了笼罩在分形曲线身上的迷雾奠定了基础。皮亚诺曲线发现后的83年,曼德勃罗首次提出了分形几何的概念。他在一次公开演讲中提出了一个看起来让众人乏味的问题:英国海岸线究竟有多长?更令众人吃惊的是,英国海岸线里隐藏的秘密竟然也和人体的生命构造息息相关。

分形的发现,则将人们引向越来越奇异的科学探索之旅。大自然,处处都彰显出伟大的和谐与统一。

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