7. Математизация науки. Теория фракталов

После триумфа классической механики И. Ньютона количественные методы стали применяться и в других науках. Так, Лавуазье, систематически используя весы в своих опытах, заложил основы количественного химического анализа. Разработка И. Ньютоном и Г.В. Лейбницем дифференциального и интегрального исчисления, развитие статистических методов анализа, связанных с познанием вероятностного характера протекания природных процессов, способствовали проникновению математических методов анализа и описания действительности в другие естественные науки.

Дифференциальное и интегральное исчисление хорошо подходит для описания изменения скоростей движений, а вероятностные методы – для необратимости и создания нового. Все можно описать количественно, и тем не менее остается проблемой отношение математики к реальности. По мнению одних методологов, чистая математика и логика используют доказательства, но не дают никакой информации о мире, а только разрабатывают средства его описания. Но еще Аристотель писал, что число есть промежуточное между частным предметом и идеей, а Г. Галилей полагал, что книга природы написана языком математики.

Евклид в своей геометрии свел природу к чистым и симметричным объектам: точка, одномерная линия, двумерная плоскость, трехмерное тело. Среди тел имеется ряд чисто симметричных форм, таких как конусы, цилиндры, блоки. Ни один из этих объектов не имеет в себе отверстий и внешних неровностей. У каждого правильная гладкая форма. Для греков симметрия и сплошность были признаками совершенства. Только совершенство предполагалось в природе.

В реальности природа отвергает симметрию так же, как она не любит равновесия, – это в некотором смысле эквивалентные состояния. Природные объекты огрубленных форм не являются разновидностями чистых евклидовых структур. В результате создание компьютерных изображений гор при помощи евклидовой геометрии представляет собой устрашающую задачу, которая требует множество строк программного кода и большого количества обращений к датчику случайных чисел. С помощью же фрактальной геометрии гора может быть создана на экране дисплея посредством всего лишь нескольких повторно применяемых правил.

Бенуа Мандельброт может быть назван Евклидом фрактальной геометрии. Он собрал наблюдения математиков, которые изучали «монстров», т. е. объекты, не определимые на путях евклидовой геометрии. В итоге обобщения этих математических работ и своего собственного озарения он создал геометрию природы, которая преуспела в описаниях асимметричности и невнятных форм. Б. Мандельброт сказал: «Горы не являются конусами, и облака – не сферы».

Так что же такое фрактал? Это объект, в котором части некоторым образом подобны целому, т. е. отдельные составные части самоподобны. Один из самых наглядных естественных фракталов – это дерево. Древесные ветви следуют так называемому скейлингу, т. е. каждое ответвление со своими собственными ветвями подобно всему дереву целиком в качественном смысле.

Не имея непосредственного отношения к реальности, математика не только описывает эту реальность, но и позволяет делать новые интересные и неожиданные выводы о реальности из теории, которая представлена в математической форме.