曼德布罗特是在波兰出生的法国数学物理学家,供职于IBM公司。他发展的分形几何,对混沌理论的产生起着举足轻重的作用。他大部分的开创工作完成于20世纪70年代,并将自己充满旁征博引的研究成果以插图本出版,书名为《分形:形式、机遇和维数》。没有人知道他在讲什么——主要是因为文字难以透彻理解。1977年,经过精心修订的版本面市,书名为《自然界的分形几何》——分形几何激发了科学家们的想象力。
测量海岸线的长度
在一篇著名的论文中,曼德布罗特提出这样一个问题,“英国的海岸线有多长?”假设用一把两脚规来测量,则得出的结果只能是近似的,因为测量的工具的原因,其中的弯曲和迂回处都被忽略了。
假如我们把两脚规用小一些的开度,比如说10厘米,来测量海岸线,再重复上述过程。那么测量结果就会更长一些,因为这个尺度能够将弯曲和迂回计算在内。
将两脚规的开度放小到5厘米,则会得到一个更大些的总长度。如果我们采用越来越小的开度来测量海岸线,那么得出的总长度就会越来越大。当我们逐渐趋近一个非常小的尺度时,海岸线的长度就会越来越大,并且无限的增加。
分形维数
曼德布罗特认为,我们能观察到的事物,取决于我们的观察角度和测量方法。以足球为例。从远处看,它像个二维的圆盘。走近一些,它就成了一个三维物体。那么,在“远”点和“近点”之间的区域情况是怎样的呢?二维物体在哪个点转变为三维物体呢?
什么是分数维
我们现在使用的几何要归功于古希腊的数学家欧几里得(Euclid,约公元前300年),欧几里得形体是规则的——三角形,正方形,圆形,长方形。分形几何是一种关于不规则形体的特殊类型的几何。分形是一种方法,用来测量舍此就无法清晰定义的客体的性质:即其粗糙、破碎或不规则的程度。
实际上,分形是理解无穷的一种方法。
曼德布罗特:“fractal这个词是我在1975年根据拉丁语fractus杜撰出来的,后者指破碎的石头——被打碎变得不规则了。相对于欧几里得形体而言,分形是一种完全不规则的几何形体。首先,它们整个形体都是不规则的。其次,它们在所有的数值范围内的不规则程度是相同的。一个分形物体无论从远处还是近处,看起来都是一样的——它具有自相似性。”
字相似性意味着一个分形系统的任何次系统与整个系统都是相等的。在分形三角形中,每个小三角形的结构都与大三角形是完全一样的。虽然一些小的分形只是在统计学意义上的自相似——它们放大的小块并不能增大整个系统——但是,它们确实具有相同的外观。
分形能够揭示混沌抽象的几何本质,特别是以计算机图形的形式。
在整个形体内部,存在着一个重复的模式,它的精细结构刻画出了混沌的本质,预示着可预测性的终结。
分形的用途
现在,分形几何被用来描述各种复杂现象。分形还能帮助我们理解湍流,了解它如何产生以及自身的运动情况。
血管也可以认为是分形,因为它们可以被逐步细分成无限小的部分。它们进行所谓的“空间魔术”,将大的平面区域挤压成有限的体积。
肺部和消化系统也是一种分形。
从金属表面的分形维我们可以看出它的强度。
曼德布罗特的名字还被用到了这个著名的分形上——即众所周知的曼德布罗特集。
全球有数百万人在观看分形数学——当他们坐着看完《星球大战》三部曲时——而他们自己并不知情。电影中外星球的地形就是在计算机里利用分形制作出来的。实际上,分形现在已成为电影特技的一个重要组成部分。