Чего не знает современная наука - Сборник статей

Развитие систем, описываемых логистическим отображением, очень напоминает античные натурфилософские и мифологические сценарии рождения мира. Сначала, при некотором значении коэффициента пропорциональности, в системе имеется лишь одно устойчивое положение равновесия – Единое еще не начало свой путь творения. При изменении коэффициента наступает момент, когда точка равновесия раздваивается, возникают два устойчивых состояния, в которых система пребывает по очереди, то в одном, то в другом, шаг за шагом по времени. Потом каждая из этих точек вновь раздваивается, и ситуация повторяется, сохраняя общий рисунок. Рано или поздно множество точек равновесия плотно заполняет все множество состояний, система переходит к хаосу, полностью разрушая свою структуру. Но затем, при дальнейшем росте параметра, из хаоса вновь возникает некоторое конечное число упорядоченных состояний, которые в конце концов «схлопываются» в единственное, и все начинается сначала. В математической модели этого явления обнаружено множество подобных, скейлинговых элементов; эти свойства подобия в науке носят название универсальности Фейгенбаума.

Представления о схожести, фрактальности процессов развития закреплены и в мифах. Согласно древнегреческой мифологической традиции, мир рождается по этапам, в развитии которых видны подобные черты. Несколько поколений богов сменяют друг друга, на каждом этапе выстраивая свой Космос, упорядоченную Вселенную, по подобным принципам. Так, например, принцип Любви – Эрос – мыслится и одним из четырех космогонических первоначал (наряду с Хаосом, Геей и Тартаром), и сыном Эреба и Ночи, происшедших от Хаоса, и сыном Афродиты; это можно истолковать как указание на то, что связующий принцип, влекущий противоположности друг к другу, работает на каждом этапе творения.

Во всех мифах, повествующих о происхождении Вселенной, единое божество наполняет мир своими помощниками – подчиненными богами, каждый из которых является проводником фундаментальных принципов мирового устройства; своими последователями – вестниками, ангелами, посланниками-апостолами; наконец, людьми, сотворенными «по образу и подобию божьему». Каждое творение имеет свою задачу по продолжению процесса созидания, по воплощению воли божьей, приводящей к устройству мира по законам Единого и проявляющейся в «похожести» всех процессов и явлений, в их самоподобии.

Из сказанного вовсе не следует, что все усилия современной науки, и математики в частности, – лишь повторение древних религиозных или философских концепций. Но если интересоваться не только технологией, не только способами расчета тех или иных конструкций, механизмов или машин, а общими принципами, лежащими в основе рождения и развития, то можно заметить, что во все времена люди мыслили сходно, лишь результаты их размышлений облекались в разные формы: в древности – в мифы, числовые и геометрические математические модели, в наше время – в более развитые математические объекты и построения; и понимаемые не буквально, но символически сказочные и мифические сюжеты древности и сейчас, спустя тысячелетия, по-прежнему могут служить источником вдохновения для исследователей, ищущих истину.

Если посмотреть на наш мир в целом, от момента его рождения и до наших дней, возникает величественный образ Вселенной как гигантского пространственно-временного фрактала, возникшего в точке Большого взрыва и выросшего к настоящему времени, подобно мифическому мировому древу, до необъятных размеров; фрактала, несущего в своей структуре единый, но пока еще не уловленный нами Закон развития природы.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ

Как звучит число?

Что может быть скучнее таблицы умножения или метрической системы мер! Одно упоминание о них вызывает в памяти серые школьные тетрадки советских времен, где на последней странице обложки были приведены упомянутая таблица, а ниже – данные о том, сколько метров в километре, сколько килограммов в тонне и т. д. Лишь у первоклашек они вызывали священный трепет перед могуществом знания, ученики же старших классов скользили рассеянным взглядом по колонкам цифр, воспринимая их, скорее, как декоративный орнамент. А между тем…

Могущество числа в древности не подвергалось сомнению. Ключ к законам всеобщей гармонии Пифагор и его ученики видели в знаменитом Тетраксисе. Он образуется числами 1, 2, 3, 4; составленные из них дроби дают идеально согласованные пропорции. Самый яркий пример этого мы видим в музыке: две одинаково натянутые струны с отношением длин 1:2 звучат приятно для слуха. Столь же гармоничный звук издают струны с отношением длин 2:3 и 3:4. На основе этих законов созвучий была построена пифагорейская гамма, в которой ноты «до», «фа», «соль» и «до» второй октавы звучали на частотах, образующих именно такие пропорции. В современном строе во имя большей технологичности принято другое расположение нот в октаве, однако к пифагорейской гамме постоянно возвращаются композиторы и музыканты в поисках гармонии.

Столь замечательное применение этого принципа в практике не могло оставить равнодушными античных философов, и закон гармоничных отношений распространяется в их учениях и на строение неба, и на человека. Так укрепляется представление о том, что «числа правят миром».

Но время течет, и вот уже успехи математики не кажутся нам столь ошеломляющими. Люди додумались до иррациональных дробей, до мнимых чисел – совсем уж абстрактных. Над древними поверьями только посмеиваются: что знали эти мудрецы, так твердо придерживавшиеся своих целых чисел? Да и загадка музыкальной гармонии, казалось бы, давно раскрыта. Стало ясно, что струна при колебании может иметь профиль синусоиды, и пифагорейские ноты образуются такими профилями колебаний, в которых полупериоды синусоиды укладываются целое число раз, – никакой тут тайны нет.

Но так ли уж правы те, кто так говорит? Анализ уравнения колебаний струны позволяет увидеть удивительное свойство его решений – выбирать из многообразия возможностей лишь те, которые разрешены природой. Связано это с определенным принципом, напоминающим резонанс, с законом, который подавляет все, кроме дозволенного. Оказывается, в уравнении есть спектр решений, не меняющих со временем своей пространственной формы, изменяется лишь их амплитуда. Члены уравнения, отвечающие за пространственную форму решения, лишь умножают их на определенное число (так называемое собственное число оператора Лапласа), комбинация только таких решений и может существовать. И самое удивительное – эти числа как раз и являются пифагорейскими отношениями целых чисел.

Прекрасно сознавая, что предыдущий абзац покажется загадочным для людей, далеких от математики, поясним: это означает, что законы гармонии в виде отношений целых чисел заложены в самой структуре мира, отраженной в уравнениях.

Но уравнения подобного типа описывают не только звучащую струну, им подчиняется и множество других процессов. Законы колебаний мембран и тел правильной формы (прямоугольной, шаровой, цилиндрической), распространения в них тепла, законы излучения света атомами, законы распространения радиоволн и т. п. выводятся из решений задачи на собственные числа для оператора Лапласа, которая и дает в качестве этих чисел пифагорейские дроби.

Самое удивительное, что в ряде случаев эти решения воспринимаются человеком как гармоничные. Пример с музыкой нас в этом убеждает. Может быть, наше чувство красоты связано со структурой мира, ведь мы тоже являемся его частью?

А теперь обратимся к космосу, точнее – к строению Солнечной системы. Множество ученых, начиная с античности, видели в движении небесных тел высшее воплощение гармонии и пытались найти для ее описания те или иные математические закономерности. Представления об идеальных телах, движущихся по идеальным кривым (окружностям), лежали в основе систем мира Птолемея и Коперника. Кеплер пытался построить геометрическую модель Солнечной системы на основе правильных платоновских многоугольников. Пифагор положил в основу законов строения системы небесных сфер те же отношения целых чисел, которые дают гармонию в музыкальных созвучиях. И Боде пытался найти подтверждение этому в пропорциях между радиусами планетных орбит и даже вывел формулу, в основе которой лежали числа 0, 1, 2 и т. д., – так называемую формулу Боде.

Теперь нам известны размеры и форма орбит главных планет нашей системы, и опять кажется, что представления древних были слишком далеки от истины, – сравнение моделей Кеплера и Боде с реальностью дает слишком большие погрешности.

Но если посмотреть на отношения периодов обращения планет вокруг Солнца, можно уловить интересные закономерности, схожие с законами музыкальной гармонии. Прежде чем сформулировать их, поясним, как можно услышать музыку в периодических движениях планет.