Чего не знает современная наука

Вспомним, что фрактал обладает дробной размерностью. Во многих справочниках, особенно по материаловедению, часто можно встретить эмпирические зависимости типа степенной функции с дробным показателем, и для объяснения таких «странных» законов весьма правдоподобной кажется гипотеза, что эти зависимости отражают фрактальные свойства объектов, их порождающих, – структуры зерен металла, структуры поверхностей и пр.

Посмотрим теперь на такую знакомую всем картину, как растущий за окном куст. Вспомним: сначала появилась веточка, потом она выпустила два побега, на следующем этапе каждый побег вновь раздвоился, то же самое происходит на следующем этапе; в результате из незамысловатой «вилки» двух побегов вырастает причудливое растение, но – самоподобное, фрактальное. Оно получено многократным тиражированием простейших вилок.

А Вселенная? Рассмотрим околоземное пространство: в нем есть центральное тело, Земля, вокруг которого вращаются спутники. Изменим масштаб, и получим ту же картину для Солнечной системы. Еще больший масштаб – и та же ситуация для Галактики, для скоплений галактик и т. д. Выберем меньший масштаб – и получим сходную картину структуры вещества. Вселенная – пространственный фрактал!

Пространственно-временная фрактальность

До сих пор речь шла о фрактальности пространственных форм. Однако самоподобие можно увидеть и в динамике процессов, протекающих во времени. Действительно, мы часто говорим о цикличности истории: государства, этносы, общественные структуры, целые цивилизации в своем развитии проходят через сходные этапы, «история повторяется».

В прошлом номере журнала мы рассказывали о процессах развития Вселенной – и здесь бросается в глаза повторяемость этапов развития. Сначала из единой точки рождается множество форм – фундаментальные частицы, ядра простейших элементов. Затем, после концентрации этой первоматерии, происходит следующий этап, в чем-то подобный первому: из простейших протонов и альфа-частиц рождается множество более тяжелых ядер. По тому же сценарию идет образование планет – от однородного, единого к множеству разных форм: от атомов («точек», размерность которых равна 0) через линейные молекулы (1) к плоским (2) и объемным структурам (3). Так же – от «единиц», через «двойки» к «тройкам» – формируется нервная система в процессе эволюции живых организмов. Не является ли это частным проявлением общего принципа, которые древние мудрецы отразили в своих философских концепциях, говоря о развитии от Единого к множественности через двоичность и троичность?

В современной физике скейлинг, или масштабная инвариантность, понимаемая как неизменность формулировки физической теории при одновременном изменении всех расстояний и временных промежутков в одинаковое число раз, рассматривается как фундаментальное свойство природы. Этим свойством обладают такие, например, соотношения, как уравнения Максвелла, которым удовлетворяют все электродинамические процессы макромира, уравнения Клейна-Гордона и Дирака, описывающие явления микромира. Стало быть, Вселенная – не только пространственный, но и пространственно-временной фрактал!

После всех этих примеров читателя, наверное, не удивит то, что в современной науке фрактальность поведения сложных нелинейных систем считается их неотъемлемым свойством как строго доказанный математический факт! Оказывается, что если система достаточно сложна, то она в своем развитии обязательно проходит через чередующиеся этапы устойчивого и хаотического развития. Причем сценарии перехода от порядка к хаосу и обратно поддаются классификации, и вновь все многообразие природных процессов распадается на небольшое число качественно подобных. Один из таких сценариев может быть описан с помощью наглядного геометрического образа, рисунка, являющегося фракталом, полностью самоподобным объектом. Речь идет о так называемом логистическом отображении, впервые использованном П. Ферхюльстом в 1845 году как модель роста числа особей в популяции животных; согласно этой модели, общее число x(n) особей n-ного поколения пропорционально числу x(n–1) особей предыдущего поколения с коэффициентом пропорциональности, линейно убывающим в зависимости от этого числа особей. Подобной динамикой обладает и изменение банковского вклада по закону «сложного процента», когда начисление линейно зависит от самого вклада. Более того, оказалось, что свойства логистического отображения универсальны, они характерны для динамики любой системы, поведение которой описывается гладкой функцией вблизи точки ее минимума.