Фракталы в природе: красота бесконечности вокруг нас

Одно из самых ранних применений фракталов появилось задолго до того, как этот термин был введен. Льюис Фрай Ричардсон — английский математик начала XX века прославился тем, что изучал протяженность береговой линии Англии. Он рассудил, что длина береговой линии зависит от длины инструмента измерения. Чем меньше размер инструмента, который вы используете, тем длиннее получается линия. Все из-за того, что при уменьшении масштаба вы начинаете учитывать все больше неровностей.

Доведите это до логического завершения, и в итоге вы получите бесконечно длинную береговую линию, содержащую конечное пространство. Это похоже на парадокс, выдвинутый Хельге фон Кохом и формулированный в Снежинке Коха. Напомним, чтобы построить Снежинку Коха, нужно взять треугольник и превратить центральную треть каждого сегмента в треугольную выпуклость таким образом, чтобы фрактал был симметричным. Каждый выступ, конечно, длиннее исходного сегмента, но все же содержит конечное пространство внутри.

Странно, но вместо того, чтобы сходиться к определенному числу, длина линии начинает двигаться к бесконечности. Математик Бенуа Мандельброт увидел использовал этот пример для изучения концепции фрактальной размерности. Попутно он доказал, что длина береговой линии напрямую зависит от того, как сильно вы будете приближать ее.

Абстрактное самоподобное множество представить сложно. Наверняка вы задались вопросом: «А какими они вообще бывают, эти фракталы?» А бывают они разными: отличительный признак — это то, что лежит в основе этого математического явления.

Здесь все начинается с простой детали — строится такой фрактал от обычной геометрической фигуры. Прямо на этой основе чертится фрагмент, затем снова, и снова... И каждый раз уменьшается масштаб. На самом деле этот вид бесконечных множеств весьма прост для понимания и воплощения: любой школьник может удивить своего учителя по математике, нарисовав в тетради геометрический фрактал. И даже те, кто далёк от точных наук, смогут найти что-то для себя — в изобразительном искусстве геометрические фракталы использовали Джексон Поллок, Луис Уэйн, Мауриц Корнелис Эшер и другие художники.

Алгебраические фракталы задаются формулой — поэтому они так называются. Весьма простые алгоритмы могут стать почвой для самого причудливого и ветвистого «дерева», которое вы когда-либо видели. Нужно только начертить график. Типовым примером алгебраического фрактала считается множество Мандельброта. Для его построения используют комплексные числа.

Кстати, о «деревьях» — именно стохастические фракталы больше всего похожи на природные плоды искусства: их даже используют, чтобы создавать модели рельефа и морской водной глади. Если в процессе итерации (это повторение каких-либо действий, не приводящее к вызовам самих себя) случайным образом менять любые параметры, получится такой фрактал. Именно поэтому такой тип множества не визуализируется вручную — только в программе. Пожалуй, это самый «виртуозный» вид фракталов.

Если какой-то из вышеперечисленных видов фракталов становится «мейнстримом», то есть набирает популярность в культурной среде, его можно обозначить концептуальным. Причём это не фракталы в чистом виде: авторы заимствуют понятия и концепты: отсюда название. Концептуальный фрактал и вовсе может состоять из нескольких видов.

После того, как в 1975 году Мандельброт опубликовал свою основополагающую работу о фракталах, одно из первых практических применений появилось в 1978 году, когда Лорен Карпентер захотел создать несколько сгенерированных компьютером гор. Используя фракталы, которые начинались с треугольников, он создал удивительно реалистичный горный хребет.

В 1990-х годах Натан Коэн, вдохновленный снежинкой Коха, создал более компактную радиоантенну, используя только проволоку и плоскогубцы. Сегодня антенны в сотовых телефонах используют такие фракталы, как губка Менгера, фрактал Вичека и фракталы, заполняющие пространство, как способ максимизировать мощность восприятия при минимальном объеме пространства.

Фракталы также встречаются в биологии, медицине, моделировании водоразделов, геофизике и метеорологии (при описании процессов образования облаков и движения воздушных потоков).

Романеско (она же романская брокколи) — итальянский сорт капусты. Внешний вид этого растения напоминает природный фрактал: каждый бутон вбирает в себя бутоны поменьше. А они, в свою очередь, тоже принимают облик логарифмической спирали. Это «повторение за самим собой» воспроизводится несколько раз. По понятным причинам этот природный фрактал прекращается на более мелких уровнях: иначе цены бы не было этой «бесконечной капусте».

Это однолетнее комнатное растение имеет маленькие, малозаметные цветы. Поэтому королевская бегония пользуется популярностью благодаря своим листьям. Они тоже имеют структуру фрактала. Иногда листья образуют спирали — поэтому это необычное растение привлекает взгляд. Главное — не дать бегонии себя загипнотизировать!

«Какой же это фрактал?» — спросите вы, взглянув на кочан красной капусты. Да, здесь нет ничего самоподобного. Но если разрезать кочан напополам, вы увидите удивительный узор-спираль. Не один вид капусты стремится к такой математической форме — может, эти растения сговорились и планируют фрактальный захват мира?

Папоротник — один из основных примеров фракталов в природе. Все мы знаем, как выглядит часть этого растения — треугольник, состоящий из листьев (они называются вайи), которые в свою очередь тоже образуют треугольник, подобный самому большому. Существуют даже математические фракталы в виде папоротника. Например, британский математик Майкл Барнсли в своем труде «Фракталы повсюду» описал «фрактал-папоротник», который при приближении даёт воспроизведение начальной формы.

Вы когда-нибудь приглядывались ко мху? А ведь этот «мягкий настил» — тоже фрактал! Особенно хорошо это видно на длинном мхе: его структура самоподобна. Попробуйте заняться макро-съёмкой: вы увидите, что фракталы не только рядом, но и у нас под ногами.

Ветки подобны стволу дерева, как и новые побеги. Однако на листьях фрактальность теряется — хотя, если не брать в счёт «мякоть» листа и оставить только прожилки, это можно считать продолжением «древесного» фрактала. Кстати, а корневая система — это уже другое самоподобное множество.

После всех вышеперечисленных растений трудно осознать, что береговая линия — это тоже фрактал. Его не сразу можно обнаружить. Существует такое явление, как парадокс береговой линии.

Что нужно сделать, чтобы определить длину линии, на которой сталкиваются суша и вода? Измерить её! Так ли это просто? Вовсе нет, ведь береговая линия длинна, и измерить её простой рулеткой не получится. Поэтому берётся мера измерения — например, в 100 км. Получили сумму всех сторон — 2800 км. Но если мы возьмём меру поменьше, например, 50 км, то измерения будут учитывать больше нервностей и мелких особенностей береговой линии — и соответственно, длина увеличится до 3200 км. Разница измерения в 400 километров! А это нельзя посчитать за погрешность. И чем меньше мы будем брать меру, тем больше получится длина береговой линии.

Аорта, артерии, капилляры образуют фрактальную сетку, похожую на ветвистое дерево. Сосуды, сохраняя свою форму, утончаются и разветвляются. Они гонят кровь по всему нашему телу, «доставляя» кислород и другие необходимые для биологического процесса элементы до клеток.

А теперь взгляните на небо! Там фракталы «помягче»: теперь структура самоподобия заключается в том, что из мелких облачков состоят большие белые «кучи». Кстати, для предсказания погоды используют фракталы. Чтобы рассчитать площадь тени от большой «сахарной ваты в небе», которая получится в результате слияния двух средних, нужно учитывать, что облако — не какая-то конкретная геометрическая фигура, а множество. Более того, облака даже не трёхмерны — их размерность равна 2,3.

Снежинка — это типичный и, пожалуй, самый наглядный пример фрактала. Мы уже говорили о снежинке Коха, но и природные снежинки (каждая из которых, как мы знаем, уникальна) имеют структуру самоподобия. Парадокс, но снежинки, что так романтично могут попасть вам на ресницы, — это самые что ни на есть математические объекты.

Мы медленно стремимся к завершению нашей подборки — так же медленно, как этот моллюск! Как выглядит «домик» улитки мы знаем с детства, но тогда мы вряд ли знали, что это фрактал. Для подобного бесконечного множества существует даже определённое название — круговой фрактал. Это завиток, который бесконечно стремится к какой-то точке. Хоть жизнь улитки не вечна, зато её ракушка фрактально бесконечна.