ФРАКТАЛЫ И ВОЗРОЖДЕНИЕ ТЕОРИИ ИТЕРАЦИЙ

30-12-2021

Красота многих фракталов тем более поразительна, что открылась совершенно неожиданно: мы хотели построить - с чисто учебной целью - всего лишь математические диаграммы, и можно было ожидать, что они окажутся сухими и скучными. Поэт как-то написал, что Евклид обнаружил красоту, но ведь, чтобы научиться по-настоящему понимать и ценить красоту геометрии Евклида, необходимо долго и упорно тренироваться и, возможно, обладать особым даром. Напротив, трудно найти человека, равнодушного к фракталам. А многие считают, что первое знакомство с фрактальной геометрией подарило им совершенно неповторимые эстетические впечатления и обогатило новым научным опытом. В этом смысле фракталы, безусловно, оригинальны настолько, насколько это вообще возможно.

С чисто математической точки зрения ситуация представляется более сложной и весьма интересной. Многие естественно-научные теории начинают свое существование с того, что берут все, что можно, из уже готовых областей математики. В нашем случае таких сложившихся областей не существовало. Наоборот, именно фрактальная геометрия, созданная для нужд естествознания, совершенно неожиданно объединила несколько старых и благородных (хотя и узких) математических направлений в единый поток и пробудила от спячки еще несколько.

Исторические обзоры обычно принято начинать с отдаленного прошлого, переходя затем ближе к настоящему. Но сейчас мне бы хотелось нарушить этот порядок. Позвольте сначала, пока мне не изменяет память, рассказать о появлении удивительного множества, исследуемого в этой книге. Некоторые из компьютерных рисунков, воспроизведенных в этом очерке, - это самые первые изображения фрактальных фигур. Сегодня они кажутся антиквариатом. И даже вчера казались устаревшими и ужасно примитивными. А в 1980 году, когда я увлекся их интеллектуальными и эстетическими откровениями, это было лучшее из того, что можно было сделать в Гарвардском университете, где я в 1979-1980 годах работал в качестве приглашенного профессора математики. В научном центре был установлен компьютер Vax (новенький и "необъезженный"), картинки мы наблюдали с помощью электронно-лучевой трубки Tektronix, изношенной и очень слабой, а копии печатались на принтере Versatec, причем никто толком не знал, как с ним обращаться. Я тогда постоянно работал в Исследовательском центре IBM им. Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хейтс, штат Нью-Йорк, где имел академическую свободу, будучи членом совета IBM. Мне кажется, что эти рисунки должны раз и навсегда рассеять впечатление о моем якобы замечательном существовании в IBM, где для научного процветания достаточно было лишь попасть в комнаты, битком набитые самым современным оборудованием.

И еще немного в том же духе. Отличные графики, сделанные в IBM для моей более ранней работы 1977 года, были получены на уже побывавшем на свалке и постоянно ломавшемся компьютере, программное обеспечение которого так никогда и не было приведено в порядок.

В 1980 году у меня был замечательный программист - ассистент Питер Молдейв, бесплатно помогавший мне по вечерам после своей основной работы.

Здесь уместно вернуться немного назад, в 1978-1979 годы. Тогда в IBM со мной работал прекрасный помощник Марк Р. Лафф. Я уже заинтересовался фракталами, инвариантными относительно нелинейных преобразований, хотя начинал с "самоподобных" фракталов, инвариантных относительно линейных преобразований. Откуда же взялось это новое увлечение? Дело в том, что на меня произвел сильное впечатление написанный Ж. Адамаром некролог Анри Пуанкаре. Он, собственно, и привлек мое внимание к нескольким заброшенным областям математики, в которых можно было ожидать появления любопытных фракталов совершенно неизвестной структуры.

Вначале мы исследовали объект, рассмотренный впервые самим Пуанкаре в 1880-х годах, а именно "предельное множество группы Клейна". Нас занимала, если говорить точнее, следующая родственная задача: на плоскости дано несколько окружностей. Необходимо описать структуру множества, инвариантного (не изменяющегося) при обычных инверсиях относительно любой из этих окружностей. Другими словами, произвольно взятая начальная точка подвергается бесконечной цепочке инверсий относительно заданных окружностей, и задача состоит в том, чтобы описать фигуру, к которой бесконечная цепочка инверсий "притягивает" эту начальную точку.

К моей радости и удивлению моих способностей в прикладной математике хватило, чтобы отыскать явную конструкцию. И хотя сейчас конструкция кажется почти очевидной, она неизменно, начиная с 1880-х годов, ускользала от чистых математиков.

Затем мы довольно беззаботно стали забавляться, строя один за другим примеры фигур, известных как "множества Жюлиа". Они возникли в рамках так называемой "теории итераций рациональных отображений комплексной плоскости". Тогда, в 1979 году, эта теория пребывала в спячке, пройдя пик своего расцвета где-то в 1918 году, когда появились знаменитые работы Ж. Жюлиа и П. Фату. Что же заставило нас вернуться к этим работам? В 20 лет я прочел или просмотрел их по совету моего дяди - известного "чистого" математика, специалиста по комплексному анализу, и это здорово повлияло на мою дальнейшую жизнь. Еще тогда, в 1945 г., мне удалось благодаря этим работам отойти от шаблона, которому обычно следуют при изучении математики. А благодаря тому, что Жюлиа был одним из моих учителей в Политехнической школе, мой образ мыслей не изменился. Через 35 лет мне довелось сыграть ведущую роль в возрождении теории итераций, и это, хотя и очень поздно, приблизило меня к основному руслу современной математики, причем настолько, что я и сам этого не ожидал.

Мы накопили прекрасные изображения множеств Жюлиа в больших количествах (рисунок одного из таких множеств был независимо от нас построен и показан нам Дж. X. Хаббардом. И очень приятно было спустя столько лет ощущать, в чем в действительности состоял смысл открытий Жюлиа и Фату. Кроме того, практически все множества Жюлиа оказались чрезвычайно красивыми.

Однако время игр и забав вскоре прошло, и я поставил перед собой серьезную задачу: выбрав семейство рациональных отображений с одним комплексным параметром, я решил исследовать, в каких областях лежат значения параметра, для которых динамика отображения сходится к устойчивым предельным циклам различных размеров. Назовем это множество М’. Мне почему-то казалось, что нужно исследовать достаточно сложное отображение, чтобы получить множество М’ с богатой структурой (я заметил потом, что каждый из новичков, за которым я наблюдал, пытался действовать точно так же). Я решил рассмотреть отображение z→c•(1+z2)2/(z•(z2-1)) и убедиться в том, что существуют значения параметра, приводящие к гарантированному хаосу. При с = 1/4 такое изображение было изучено Сэмю-элом Латтесом, и его динамика, как известно, хаотична. Я же хотел исследовать его для произвольных комплексных значений с. Для этого отображения не было критерия существования устойчивого предельного цикла, и мы запустили на компьютере исследовательский алгоритм, получив в результате очень размытую, но с весьма сложной структурой "тень" множества М’. На рис. 63 приведено полученное позднее изображение этого множества. И хоть тогда, в 1979 году, мы увидели только размытые пятнышки, этого оказалось достаточно, чтобы понять, что игра стоит свеч и что поставленной цели гораздо легче достичь в более простом случае.

Поэтому я и вернулся вновь к квадратичному отображению z→z2-c. Оно всегда имеет устойчивую неподвижную точку на бесконечности, и поэтому наиболее интересной задачей была классификация неподвижных циклов, являющихся ограниченными. Кроме того, квадратичное отображение - самое простое и к тому же единственное, для которого все зависит от значений единственного параметра.

В начале 70-х годов стали широко известны исследования П. Дж. Мирберга для действительных с. Они продолжали развиваться в различных направлениях. Но никто - и это поразительно - не стал заниматься их расширением на комплексную плоскость. Я чувствовал, что известные свойства действительных квадратичных отображений обеспечат постоянную проверку результатов в случае комплексных с. Мне также казалось, что для

максимально быстрого продвижения к цели я могу, ничего не опасаясь, избрать более короткий путь исследований, строгое математическое обоснование которого было выше моих аналитических способностей, и фактически даже сейчас оно является неполным.

В 1906 г. Фату удалось показать, что для некоторых с бесконечно удаленная точка притягивает всю комплексную плоскость, кроме множества Жюлиа, которое является очень "тонким" и образует то, что теперь называют "фрактальной пылью". Пыль не может быть границей какого бы то ни было множества независимо от его типа, и, следовательно, искомое множество М’ должно быть подмножеством множества таких с, для которых множество Жюлиа не является пылью, т. е. связно.

Именно последнему множеству (обозначим его М) присвоили мое имя. Я выбрал это множество потому, что Жюлиа дал прямой критерий, который особенно легко запрограммировать для квадратичного отображения: с принадлежит М тогда и только тогда, когда точка zo = 0 (так называемая "критическая точка") не стремится к бесконечности. Для первой проверки использовалось квадратичное отображение в альтернативной форме z→λz(l - z) . После нескольких итераций на решетке с большим шагом мы обнаружили, что множество М включает в себя очень грубые очертания двух кругов ‌λ‌ < 1 и ‌λ-2‌< 1 .

Два алгебраических подхода подтверждали, что эти круги должны находиться именно здесь, а значит, наш метод работал. Кроме того, на действительной оси, слева и справа от вышеупомянутых кругов, мы увидели нечеткие очертания круглых вкраплений, которые я сейчас и называю "атомами". Оказалось, что они разделены интервалами, известными из теории Мирберга, и это вдохновило нас на еще более смелые вычисления. Кстати, любое улучшение качества расчетов приводило ко все более четко сфокусированным картинкам. А чтобы увидеть, как атомы образуют иерархию, в которой к каждому из них прикреплены меньшие, мне потребовалось еще и воображение. Мы убедились, что точки, в которых большие кругообразные атомы несут на себе меньшие, такие как и ожидалось. И таким образом нам открылись геометрические реализации не только знакомой последовательности парных бифуркаций Мирберга, но и любой другой последовательности бифуркаций произвольного порядка.

Затем, однако, счастье, по-видимому, нам изменило: картинки, вместо того чтобы становиться все точнее и резче, становились, казалось, все беспорядочнее. Ошибки ненадежного дисплея Tektronix? Чтобы убедиться в этом, я ненадолго съездил в Йорктаун. Мы пропустили нашу Гарвардскую программу через компьютерную сеть IBM, получили рисунок, который был затем опубликован в верхней части иллюстрации 189 моей книги 1982 г. Беспорядок не исчез! Наоборот, и вы сами можете в этом убедиться, в нем появились признаки систематичности. Мы сразу же попробовали посмотреть на все это вблизи. И когда изображение было увеличено, многие пятнышки исчезли, как и ожидалось, но некоторые не только не исчезли, но и обнаружили сложную структуру. Оказалось, что они обладают "побегами", очень напоминающими характерные для всего множества М. Мы с Питером Молдейвом не могли сдержать своего волнения. Что-то заставило нас переделать все вычисления для эквивалентного отображения z→λz2 - c , и здесь оказалось, что основной континент множества М имеет ту же форму, что и каждый из островов! Затем мы сосредоточились на "побегах", отвечающих бифуркациям различных порядков, и сравнили соответствующие близлежащие острова. Как оказалось, они лежат на пересечениях звездных областей и логарифмических спиралей! Рис. 2 представляет собой пример, соответствующий 100-кратной бифуркации, построенный с помощью компьютерной сети IBM летом 1980 года (копии печатались на Tektronix).

Наряду с этими увеличенными изображениями множества М, мы продолжали строить изображения множеств Жюлиа для значений параметра с, лежащих внутри молекул-островов. Картина, которую мы наблюдали, казалось, распадалась на множество мелких островков, каждый из которых представлял собой уменьшенный вариант множества Жюлиа для соответствующего значения с в молекуле-континенте множества М . Однако из критерия Жюлиа следует, что это подобие обманчиво. В то время как внутренние части островов перекрываться не могут, просвет между ними должен быть частично заполнен меньшим островом и т. д. до бесконечности. В конце концов острова должны соединиться своими береговыми линиями, образуя "дьявольский" полимер с невидимыми (из-за того, что точность вычислений, естественно, ограничена решеткой) "связями".

Мы продолжали делить время между множеством М и некоторыми из множеств Жюлиа J, пока не сделали захватывающее открытие. Я заметил, что множеству М всегда принадлежит рекорд по числу точек в предельных циклах. Оно также имеет таинственный "иероглифический" характер: включает в себя полный набор деформированных и уменьшенных версий всех множеств Жюлиа.

Для понимания структуры множества М особое значение имело одно из характерных утверждений теории Мирберга, уже установленное к 1980 г., а именно то, что действительная ось пересекает цепь островов, принадлежащих М, и соединяет их по береговым линиям уже описанным для некоторых множеств Жюлиа "дьявольским" способом. Это наводит на мысль, что звездоподобные структуры, обнаруженные вне действительной оси, также возникают из-за того, что множество М представляет собой связный "дьявольский" полимер.

Столкнувшись с этим, я стал действовать слишком осторожно, что было совершенно не в моем характере и, к счастью, это быстро прошло. Возможно, что это проявилось во мне после года, проведенного среди "чистых" математиков. Поясню подробнее.

На протяжении моей карьеры, изобиловавшей подъемами и падениями, я всегда приветствовал разнообразные и часто противоречивые влияния, откладывавшие слои за слоем "осадки", которые часто влияли на меня весьма своеобразно. Обычно я невосприимчив к обвинениям, выдвигаемым математиками в том, что я использую недостаточно строгие аргументы, но в этом случае я позволил математической стороне моей научной натуры взять верх. Хотя мне и не удалось в 1980 г. доказать, что мое множество М является связным, мне все же следовало бы сделать такое утверждение, основываясь на экспериментальных наблюдениях. Но мне не хватало смелости. В это время я писал статью, которая появилась в конце 1980 г. и стала весьма хорошо известной. Одна часть этой работы вошла в мой доклад, который я сделал в Нью-Йорке в декабре 1979 года, а другая (как это обычно и бывает) представляла собой новые разработки. Однако вместо того, чтобы обсудить множество М в той форме, в какой оно изучалось, я ввел в этой работе некий неудобный суррогат, свойства которого мог описать математически более точно.

Связность множества М была, таким образом, представлена как вопрос, на который нужно найти ответ, но не как утверждение, требующее доказательства. И вплоть до своей книги 1982 г. я так и не вернулся к правильным убеждениям. А вскоре и вопрос о публикации стал проблематичным, так как А. Дуади и Дж. X. Хаббард доказали связность множества М и продолжали его чрезвычайно подробно исследовать.

Меня просили изложить в этом очерке все так, как мне запомнилось, но думаю, что вряд ли кто-нибудь ожидал, что я буду писать о себе столь откровенно. Позвольте мне продолжить в том же ключе рассказ о том, как было введено понятие фрактала, так как его появление было связано со многими случаями нелегкого, и в то же время волнующего взаимодействия различных сторон личности ученого. В 1975 г. я придумал термин фрактал, чтобы дать название моей первой работе в этой области. Однако я не стал приводить математическое определение, чувствуя, что это понятие, как и хорошее вино, требует выдержки, прежде чем оно будет "разлито по бутылкам". Все фигуры, которые я исследовал и называл фракталами, в моем представлении обладали свойством быть "нерегулярными, но самоподобными". Слово "подобный" не всегда имеет классический смысл "линейно увеличенный или уменьшенный", но всегда находится в согласии с удобным и широким толкованием слова "похожий". Широкое толкование было необходимым, чтобы включить, например, множества Пуанкаре и Жюлиа, о которых шла речь выше. Формулировка "нерегулярный, но самоподобный" была попыткой втиснуться между двумя возможностями, к которым эти теории сводились ранее. Первую из них иллюстрирует теория Евклида, исследующая исключительно упорядоченные и гладкие фигуры (элементы кривых у Евклида всегда самоподобны, но тривиальным образом: все кривые являются локально прямыми, а прямая всегда самоподобна). Другая старая возможность была связана с фигурами произвольной сложности и неупорядоченности. Сегодня эти фигуры заслуживают наименования "геометрически хаотичных", но тогда, называя их, я использовал менее удачный латинский эквивалент "erratic" (беспорядочные). Моя атака в новой области имела целью разделить на части понятие хаоса.

Одна часть при этом так и осталась нетронутой, поскольку мы не знаем, как ее исследовать. Вторая же, хотя и менее общего вида, но весьма внушительная, засауживает быть выделенной. Ее следовало бы изучить, хотя бы в силу многочисленных примеров самоподобия в природе, а еще потому, что именно из-за самоподобия она вполне поддавалась изучению.

Но когда в 1975 г. я писал свою работу, различие между "упорядоченным" и "неупорядоченным" хаосом еще не было центральным местом. На той стадии было необходимо добиться признания хаоса, акцентируя внимание на различиях между гладкими и негладкими фигурами. Я был вынужден подчеркивать эти различия очень тщательно, определяя фракталы формальным образом. Очень давно мне довелось случайно познакомиться с

представлением о хаусдорфовой размерности, и я развил в себе интуитивное понимание этого понятия. Для подавляющего большинства действующих математиков оно было каким угодно, но уж никак не интуитивным, а фактически весьма туманным, хотя одновременно и классическим - для нескольких работавших с ним ученых. И если бы мне не удалось развить эти знания и интуицию, кто знает, может быть и не было бы фрактальной геометрии.

Позже я понял, что фактически моя интуиция всегда работала с различными формами более общей концепции того, что я называю "фрактальной размерностью". Сила понятия фрактальной размерности по Хаусдорфу в том, что она позволяет различать категории "гладкий" и "хаотичный". Слабость же ее в том, что не удается различить категории "нерегулярный, но самоподобный" и "геометрически хаотичный". Это происходит из-за того, что определение является весьма общим, что и требуется для математики. Но для конкретной области науки общий характер этого определения оказывается чрезмерным: оно становится не только неудобным, но и совершенно неподходящим.

Впрочем эта особенность вовсе не была очевидной в 1975 г., когда я шокировал ученый мир, использовав дробную размерность для моих самоподобных моделей. Я ринулся под защиту существующего определения и в 1977 г. провозгласил существование множеств с дробной хаусдорфовой размерностью, или, другими словами, с размерностью, больше топологической. Это определение не смогло охватить многие "пограничные фракталы", но тем не менее с его помощью удалось более или менее точно провести границу "против" Евклида. Но граница "против" настоящего геометрического хаоса оставалась широко открытой! Я знаю, что определения значат немного, но это еще поддавалось улучшению.

И вот наконец наш экскурс в историю привел нас к отдаленным корням событий, происходивших двадцать с лишним лет назад. Согласно наиболее строгим стандартам, принятым для философов и историков, лишь немногие мысли являются совершенно новыми. Если разработка не является важной, то ее претензии на новизну не заслуживают специального изучения. В то же время важные результаты - а фрактальная геометрия, похоже, такова - всегда нуждаются в серьезной проверке. Еще до того, как она утвердила себя, я подверг ее интеллектуальные основания проверке по самым жестким меркам и полностью изложил результаты в своих книгах. Что касается вклада фрактальной геометрии в науку и эстетику, то вывод таков: даже намека на нее до моих работ не существовало. Причем почти полное отсутствие непризнанных предшественников очень удивляет. Историческое исследование позволило обнаружить лишь несколько неизвестных ссылок (Ж. Перрен, Г. Штейнгауз и некоторые другие), в которых отмечалось, что хаос требует изучения, но эти мысли развития не получили.

С другой стороны, в моей книге цитируются многие знаменитые математики, работавшие в период 1875-1925 годов, включая Пуанкаре, Кантора, Пеано, Хаусдорфа, Серпинского. Не считаю ли я поэтому, что фрактальная геометрия была "открыта" сто лет назад? Вовсе нет. Я цитирую этих авторов потому, что у меня имеются и серьезные похвалы, и не менее серьезные упреки к ним. Я отдаю им должное за то, что они изобрели ряд конструкций, которые мне в конце концов удалось объединить и которые оказались бесценными. А упреки связаны с тем, что им не удалось увидеть и развить родство своих построений, что они видели в каждой из своих конструкций "монстра", "исключительное множество", из-за чего их действительное значение было полностью упущено. Исторический контекст помогает объяснить, почему моя фрактальная геометрия оказалась для всех совершенно неожиданной, и особенно для тех, кто занимался математической дисциплиной, именуемой "действительным анализом" и родившейся из тех же конструкций около 1900 года. Я льщу себя надеждой, что эти удивительные идеи вскоре будут казаться "естественными" и "неизбежными".

Закончу на этом. Мои воспоминания об истории фракталов недавно были опубликованы в более полном виде. Да и подробности, о которых я рассказал, не имеют прямого отношения к этой великолепной книге, для которой, еще не успев насладиться ею, я написал свое эссе.

Автор: Бенуа Б. Мандельброт

Другие статьи по теме: