Бенуа Мандельброт - Фрактальная геометрия природы

Классифицировать научные труды Лейбница – занятие как нельзя более отрезвляющее. Рядом с дифференциальным исчислением и другими идеями, доведенными до логического завершения, взгляду открывается поразительное по количеству и разнообразию множество предварительных наметок и всевозможных замыслов. Некоторые примеры мы уже видели: «упаковка» в главе 18 и «принцип непрерывности» в первом разделе настоящей главы. Помимо этого, Лейбниц положил начало формальной логике и первым (в письме к Гюйгенсу, 1679) предположил, что в геометрии должна появиться новая область, позже получившая название топологии. (Перейдя на менее возвышенный уровень, отметим, что именно Лейбниц первым ввел в математические обозначения буквы еврейского алфавита и … знаки Зодиака!)

Моя лейбницемания еще более усугубилась, когда я обнаружил, что ее вдохновитель одно время придавал некоторое значение геометрической масштабной инвариантности. В работе «Euclidis πρωτα » (см. [296], том II.I, с. 183 – 211), представляющей собой попытку конкретизировать евклидовы аксиомы, Лейбниц на с. 185 пишет: «IV (2): У меня имеются самые разнообразные определения прямой. Например, прямая линия есть кривая, каждая часть которой подобна целому; этим свойством обладает лишь прямая, причем не только среди кривых, но и среди множеств». Сегодня мы можем доказать это утверждение. Далее Лейбниц описывает более ограниченные самоподобные свойства плоскости.

Независимо от Лейбница, та же мысль пришла в 1860 г. в голову Жозефа Дельбёфа (1831 – 1896), бельгийского мыслителя, чьи взгляды Б. Рассел подвергает беззлобной критике [506]. Дельбёф, переключивший свой энтузиазм любителя с классической литературы на философию геометрии, стал поистине необычной личностью в науке. Однако его «принцип подобия» почти ничего не добавляет к вышеприведенной цитате из Лейбница (о которой он, следует сказать, не знал, когда проводил свои исследования, и на которую он впоследствии сослался – благодаря чему о ней узнал и я – с трогательной смесью великодушия и гордости). Дельбёф подвизался у нас еще и на с. 580 (хотя и в несколько второстепенной роли).

Еще одно упоминание о масштабной инвариантности можно усмотреть (но только если вы достаточно великодушны, чтобы быть щедрыми к богачам) в максимах 64 и 69 «Монадологии» Лейбница, где он утверждает, что мельчайшие частицы мироздания обладают в точности настолько же сложной организацией, что и большие его части.

Лаплас также размышлял о вещах, имеющих отношение к масштабной инвариантности. В пятом издании его «Системы мироздания», опубликованном в 1842 г. и переведенном на английский язык (в четвертом издании 1813 г. этого нет), в главе V книги V имеется следующее замечание (см. [289], том VI): «Одним из замечательных свойств ньютоновского тяготения является то, что если размеры всех тел во Вселенной, расстояния между этими телами и скорости их движения пропорционально увеличивать или уменьшать, то они станут описывать кривые в точности подобные тем, что они описывают сейчас; т.е. Вселенная, уменьшенная до наименьших вообразимых размеров, явит внешним наблюдателям тот же самый облик. Законы природы, таким образом, позволяют нам наблюдать лишь относительные размеры … [Далее цитата продолжается в подстраничном примечании]. Все старания геометров доказать евклидову аксиому о параллельных прямых остаются по сей день безуспешными … . Понятие … окружности не несет в себе ничего, что было бы связано с ее абсолютной величиной. Однако если мы уменьшим ее радиус, нам придется уменьшить пропорционально и ее длину, и длины сторон всех вписанных в нее фигур. Эта пропорциональность представляется мне намного более естественной аксиомой, нежели упомянутая аксиома Евклида. Любопытно наблюдать это же свойство в результатах теории всемирного тяготения».

Фраза «natura non facit saltus» представляет собой наиболее известную формулировку «принципа непрерывности», о котором мы говорили в первом разделе настоящей главы и который Лейбниц полагал одним из «лучших и наиболее подтвержденных» своих достижений. Кроме того, этот принцип можно счесть неявным и отдаленным предтечей геометрических «промежуточных» форм – фракталов. Однако по утверждению Бартлетта [17], автором вышеприведенной фразы является Линней. Подобное приписывание показалось мне не совсем честным, я произвел собственное расследование и обнаружил несколько занятных фактов и целую историю.

Верно, знаменитый ботаник и классификатор восемнадцатого века Карл Линней и в самом деле однажды написал эту фразу, но лишь мимоходом, выражая, скорее, некий обыденный взгляд на вещи, нежели формулируя новый и важный принцип. Фраза Линнея представляет собой перевод французского выражения «La nature ne fait jamais de sauts», которое как раз и встречается у Лейбница. Перу последнего принадлежат и многочисленные вариации на эту тему – такие, например, как «Nulla mutatio fiat per saltum», «Nullam transitionem fieri per saltum», «Tout va par degres dans la nature et rien par saut». Возможно даже, что у Лейбница и нет в точности такой же латинской фразы, какую употребил Линней.

Самое же забавное и интригующее заключается в том, что латинская фраза Линнея, была предвосхищена задолго до Лейбница, еще в 1613 году, в следующем виде: «Natura in suis operationibus non facit saltum» (Употребление в данном случае единственного числа saltum вместо множественного saltus выдает в авторе фразы человека, принадлежащего к тому угрюмому меньшинству, которое полагает, что слово ничто единственного числа.) Но кто же автор? Стивенсон ([541], с. 1382, № 18) приписывает эту честь некоему Жаку Тиссо. А кто такой Тиссо? У меня сложилось впечатление, что этого уже, по всей видимости, никто не знает, благодаря чему я получил замечательный повод совершить набег на парижскую Bibliotheque Nationale.

Искомая фраза обнаружилась в одной пятнадцатистраничной брошюрке с очень длинным заглавием, которое выглядит (в сокращенном виде) следующим образом: «Правдивая история о жизни, смерти и останках великана Тевтобока, короля … которого сразил в 105 году до Р. Х. римский консул Марий… погребен же сей великан был вблизи римского поселения». В брошюре на смеси французского с латынью повествуется об обнаружении недалеко от Гренобля гигантских костей и о том, почему было решено, что принадлежат они указанному Тевтобоку, королю и человеку.

Выяснилось также, что имеется и репринт «Правдивой истории» в сборнике «Varietes historiques et litteraires, recueil de pieces volantes rares et curieuses, annotees par M. Edouard Fournier» (том IX, 1859, с. 241 – 257). Мое любопытство было, наконец, вознаграждено. В чрезвычайно пространном примечании Фурнье описывает, как все происходило на самом деле. 11 января 1613 г. землекопы обнаружили под 17 – 18 футами песка несколько очень больших костей, и среди окрестного населения распространились слухи о том, что под землей была найдена гробница некого великана, а в ней медаль консула Мария и камень с именем Тевтобока. «Подлинная принадлежность» костей была установлена двумя местными достойными гражданами, история попала в газеты, а сами кости были даже представлены королю Людовику XIII. Относительно происхождения костей разгорелась нешуточная полемика, которая, впрочем, вскоре истощилась. Позже, когда в извлекаемых из-под земли костях ученые стали видеть останки исчезнувших животных, вспомнили и о Тевтобоке. К делу подключили палеонтологов, и те установили, что «король Тевтобок» был мастодонтом.