
- •Основные понятия фрактальной геометрии и фрактальной физики.
- •Историческими объектами геометрического анализа служили 5 многогранников Платона, 13 многогранников Архимеда, 4 многогранника
- •Традиционные методы геометрии, широко используемые в
- •С помощью таких классических подходов описать реальный мир невозможно примерно в 90% случаев.
- •В 1972 г. бельгийский математик Бенуа Мандельброт (Benoit Mandelbrot) ввел понятие фрактала и
- •В другой, тоже авторской трактовке, фрактал - это самоподобная структура, чье изображение не
- •Согласно классическому определению Мандельброта некоторый объект называется самоподобным, если сам объект, взятый целиком,
- •Таким образом Мандельброт постулировал, что фрактальная структура обладает иерархичностью и масштабной инвариантностью (скейлингом),
- •Если под фрактальной структурой понимать любую сложно организованную на принципах самоподобия иерархическую систему,
- •Такие системы характеризуются наличием взаимосвязанных и взаимозависимых уровней их внутреннего строения и детерминации.
- •Иерархия реальных систем включает в себя и жесткие. однозначно определяемые зависимости, и лабильные,
- •Идея иерархии направлена на обеспечение устойчивого функционирования как всей системы в целом, так
- •Подобие фрактальных структур различных объектов, таких, например, как турбулентность в жидкости и спиральная
- •Наиболее осмысленное и емкое определение фрактала дано П.В. Короленко: "Фракталами называются геометрические объекты:
- •Вырезав небольшую часть из структуры, имеющей свойства фрактальности, мы можем рассмотреть ее в
- •Природные же и техногенные фракталы имеют четко ограниченный интервал масштабов, в котором сохраняется
- •Пусть мы имеем дело с круговым или сферическим объектом массой М и радиусом
- •Для наглядности построим один из фрактальных геометрических
- •Возьмем отрезок прямой единичной длины К0, назовем его инициатором и разделим на три
- •Каждый раз мы делим отрезок на 3 части, среднюю
- •Поскольку на каждом шаге каждый отрезок разбивался на три части (а мог бы
- •На первом шаге алгоритма длина отрезка составляет 1/3 от первоначальной. Тогда длина кривой
- •С геометрической точки зрения фрактальная размерность является показателем того, насколько плотно эта линия
- •Кривую Коха можно растянуть в прямую линию, поэтому ее топологическая размерность равна единице.
- •Другим математическим фракталом, имеющим аналоги как в нанотехнологии, так и в космогонии, является
- •Изменяя алгоритм построения (можно делить на 5 частей и удалять четные и т.п.)
- •Интервал самоподобия различных природных объектов может содержать масштабы от долей микрометра при рассмотрении
- •Если совершенно разные, но схожие между собой объекты характеризуются одной фрактальной размерностью, то
- •Математические фракталы обладают удивительной и неповторимой красотой. Сейчас известно громадное количество алгоритмов их
- •Реальные фракталы
- •Фрактальный агрегат каждого вещества формируется при определенных физических условиях, которые до конца не
- •Реальные физические структуры, как природные, так и техногенные, могут являться (а чаще всего
- •Работа Мандельброта не являлась причудой впавшего в маразм теоретика, а была связана с
- •Для начала рассмотрим простую задачу об определении длины береговой границы озера. Если радиус
- •С каждым увеличением точности метрологического инструмента величина казалось бы неизменной береговой линии все
- •Отсюда следует вывод, что все границы между государствами, береговые линии, границы облаков и
- •Еще более интересным является анализ реальных объектов, которые можно сопоставить с канторовой пылью.
- •Это значит, что в принципе является абсолютно необходимым, чтобы и артерия, и вена
- •Отсюда полный объем всех артерий и вен должен составлять лишь малый процент от
- •Одно из достоинств фрактального подхода к анатомии заключается в том, что вышеуказанные требования
- •С помощью фрактальной физики легко объясним и такой парадокс, как эффект пылающего неба,
- •Представим себе сферу очень большого радиуса R (космических масштабов), внутри которой находится очень
- •Как можно это понять качественно? Для этого обратимся к примеру Вселенной Фурнье.
- •Упомянем лишь в этой связи так называемые кольца Сатурна, которые имеют очень рыхлую

Это значит, что в принципе является абсолютно необходимым, чтобы и артерия, и вена были расположены бесконечно близко от любой клетки или точки тела, — исключая, разумеется, точки, находящиеся внутри артерий или вен.
Мандельброт сформулировал это еще более странно: каждая точка ткани, не относящей системе кровообращения, должна лежать на границе между двумя кровеносными системами.
При этом существует еще конструкторское ограничение, заключающееся в том, что кровь нужно экономить, особенно если в ней большой процент алкоголя.

Отсюда полный объем всех артерий и вен должен составлять лишь малый процент от объема тела, оставляя основную часть пространства тканям.
В человеческом организме вся кровь объемом около 5 литров в течение одной минуты полностью прокачивается сердцем через сеть капилляров общей длиной порядка 100 тысяч километров.
С точки зрения классической физики и евклидовой геометрии, эти требования невыполнимы, аномальны и анормальны.
Искомая фигура должна быть топологически двумерной, так как она образует границу, общую для двух топологически
трехмерных фигур, причем требуется, чтобы ее объем являлся одновременно не только пренебрежимо малым по
сравнению с объемами фигур, которые она ограничивает, но и гораздо больше этих объемов. Однако, что недоступно
жалкому гуманитарию, то доступно физику.

Одно из достоинств фрактального подхода к анатомии заключается в том, что вышеуказанные требования прекрасно сочетаются друг с другом.
Вены и артерии являются стандартными трехмерными областями, поскольку в них должны целиком умещаться сферы малого радиуса (кровяные шарики).
С другой стороны, сосуды занимают очень небольшую долю от общего объема тела. Ткань - иное дело; в ней нет ни одного участка, сколь угодно малого, который не был бы пересечен и артерией, и веной.
Ткань представляет собой фрактальную поверхность: ее топологическая размерность 3, а фрактальная размерность 2. В таком виде вышеприведенные критерии теряют всю свою экстравагантность, а система представляет собой одну из разновидностей канторова множества.

С помощью фрактальной физики легко объясним и такой парадокс, как эффект пылающего неба, заключающийся в том, что в случае бесконечной Вселенной в ней бесконечное количество звезд, и небо ночью должно просто пылать.
Поскольку количество излучаемого звездой света прямо пропорционально площади ее поверхности, количество света, достигающее наблюдателя, находящегося от звезды на расстоянии R, должно быть пропорционально 1/R2, но площадь видимой поверхности звезды также пропорциональна 1/R2. Таким образом, отношение количества света к видимому сферическому углу не зависит от R.
Кроме того, если распределение звезд во Вселенной равномерно, то практически любое направление взгляда рано или поздно встретит какую-нибудь звезду.
Следовательно, небо должно быть освещено звездным светом равномерно и выглядеть просто пылающим - днем и ночью.

Если же допустить, что Вселенная фрактальна и что ее размерность D < 2, то парадокс разрешается сам собой.
В этом случае проекция Вселенной на небесный свод является фрактальным множеством той же размерности D, т.е. множеством нулевой площади.
Даже если звезды имеют ненулевой радиус, большая часть направлений уходит в бесконечность, не встречая на своем пути ни одной звезды. Если смотреть вдоль этих направлений, то мы увидим только черноту ночного неба.
Если за интервалом, в котором D < 3, следует интервал, в котором D = 3, то фон неба будет не строго черным, но чрезвычайно слабо освещенным. Это простое рассуждение является еще одним кирпичиком в здание теории фрактальной Вселенной, причем неважно, конечной или бесконечной.

Представим себе сферу очень большого радиуса R (космических масштабов), внутри которой находится очень большое число звезд N >> 1.
Ясно, что число N должно расти с увеличением радиуса сферы. Нас как раз и будет интересовать эта зависимость N(R).
Если бы звезды, галактики, скопления галактик были бы распределены во Вселенной равномерно с некоторой постоянной плотностью, то число звезд в сфере радиуса R было бы пропорционально объему этой сферы, т.е.
N R3
Астрономические наблюдения, однако, показывают, что:
N RD, где D 1,23,
Таким образом хаусдорфова размерность Вселенной гораздо ближе к 1, чем к 3.
Это означает, что наша Вселенная почти одномерна!

Как можно это понять качественно? Для этого обратимся к примеру Вселенной Фурнье.
Она была предложена в 1907 г. американским неудавшимся физиком, но удавшимся писателем фантастом Фурнье. Фрагмент ее структуры показан далее на рисунке.
Каждая точка на этом рисунке представляет собой одну галактику. Они объединены в скопления радиуса R1 по 7
галактик в каждом скоплении.
На рисунке видны только пять из них: недостающие две расположены симметрично над и под плоскостью рисунка, на прямой, проходящей через центр скопления.

Отношение радиусов R2/R1 = R3/R2 = … = 7
В свою очередь, семь таких скоплений аналогичным образом объединены в одно суперскопление радиуса R2- Затем по такому же
принципу из семи суперскоплений строится одно суперсуперcкопление радиуса Rз, причем R3/R2 = R2/R1 и т.д. В
результате многократного повторения такого процесса возникает
самоподобная фрактальная структура.
Из этого рисунка очевидно, что число звезд в скоплении радиуса R в 7 раз больше числа звезд в скоплении радиуса R/7
|
R |
|
N(R) 7N |
7 |
|
|
|

Полагая N RD, получим D = 1.
Таким образом, вселенная Фурнье – одномерна!!!
Число 7, проникшее в эту схему, не играет принципиальной роли. На его месте могло бы быть любое другое число.
Ясно также, что, варьируя соотношение между размерами скопления и числом элементов в них, можно построить фрактальные модели Вселенной с другими близкими к 1 размерностями D.
Заметим также, что вселенная Фурнье - точный фрактал, каковым, конечно, наша Вселенная не является.
Как и какие закономерности приводят к фрактальной структуре Вселенной, пока еще не известно.

Упомянем лишь в этой связи так называемые кольца Сатурна, которые имеют очень рыхлую и неоднородную структуру со щелями разных размеров, в которых нет астероидов, от самой большой - так называемое сечение Кассини, до самых маленьких.
Предположительно, что структура колец Сатурна - фрактальна. Если это так, то это было бы ярким подтверждением того, что гравитация способна создавать фрактальные структуры в распределении материи во Вселенной.