自然科学与几何学总是携手并进的。17世纪,开普勒发现能用椭圆描述行星绕太阳运行的轨道。这激励了牛顿用万有引力定律解释这些椭圆轨道。
同样,理想的摆做往复运动可以用正弦波形表示。简单的动力学常常和简单的几何外形相联系。这一种数学图像暗示,物体的形状和作用于它的力之间有一种平滑的关系。在行星和摆的例子中还暗示物理学是决定论的,由系统的过去便能预测其未来。
曼德尔布罗特也谈到了他的分形几何学产生的背景。他指出,两种新近的科学进展深深影响了几何外形相联系。首先是由于认识到自然界充满了某种称为决定论混沌的事物。宇宙中许多表面看来服从决定论定律的简单物理系统,其行为仍然是不可预测的。例如,受两个力作用的摆。用决定论的观念已无法预测其运动,这使大多数人吃惊。
第二种进展来自对我们周围见到的最不规则而复杂的现象:山峦和云团的外形,星系在宇宙中的分布,离家近点,金融市场价格的起伏等,做数学描述所取得的成果。获取这种数学描述的一条途径在于找到“模型”。换言之,需构想或发现一些数学规则,使之能对实现的某些部分做“数学上的伪造”——做成山峦或云团的照片、最深层空间的天体图、报纸金融版的图表等。
实际上,伽利略曾宣称,“自然界伟大的书是用数学语言写成的”,并补充说,“其特征为三角形、圆形和其他几何图形,没有这些几何图形人们只能在黑暗的迷宫中做毫无结果的游荡”。
然而不论模拟决定论混沌还是模拟不规则系统,这些欧几里得外形已经没什么用。这些现象需要的几何远远不是三角形和圆。它们需要非欧几里得结构——特别是需要称之为分形几何的新几何学。
1975年,曼德尔布罗特由描述碎石的拉丁文fractus,创造出分形(fractal)一词。分形是几何外形,它与欧几里得外形相反,是没有规则的。 |