Живая геометрия (стр. 2 из 8)

Как подчеркивал Вигнер, мы просто были бы не в состоянии формулировать законы природы, если бы корреляции (взаимосвязи) между событиями (явлениями) не были инвариантными по отношению к пространственно-временным преобразованиям. Он писал: «Законы природы не могли бы существовать без принципов инвариантности. Если бы корреляции между событиями менялись день ото дня и были бы различными для разных точек пространства, то открывать законы природы было бы невозможно. Таким образом, инвариантность законов природы относительно сдвигов в пространстве и времени служит необходимой предпосылкой того, что мы можем открывать корреляции между событиями, т. е. законы природы» [10].

Вигнер говорил об определенной иерархии нашего знания об окружающем мире, имея в виду «переход с одной ступени на другую, более высокую — от явлений к законам природы, от законов природы к симметрии, или принципам инвариантности» [10].

Итак, глобальность понятия симметрии объясняется тем, что в иерархической лестнице познания симметрия представляет самую высокую ступень, характеризующуюся наибольшей степенью обобщения. В чем проявляется эта наибольшая степень обобщения? Выделим три момента [5]:

1) Симметрия помогает выделить в нашем столь изменчивом и динамичном мире различные инварианты (сохраняющиеся величины, определенные закономерности, своеобразные «опорные точки»);

2) Симметрия позволяет найти и выделить общее в многообразии наблюдаемых объектов и явлений;

3) Симметрия ограничивает число возможных структур и возможных вариантов поведения систем.

Возвращаясь еще раз к Вигнеру, отметим, что ученый указывал на двоякую роль принципов симметрии в научном познании [10].

Во-первых, они играют роль пробного камня при проверке справедливости тех или иных законов природы, степени их общности.

Во-вторых, принципы симметрии позволяют в ряде случаев непосредственно открывать новые законы, иначе говоря, предсказывать неизвестные ранее корреляции между явлениями.

Понятие симметрии проходит фактически через всю многовековую историю человечества, постепенно углубляясь. Оно обнаруживается уже у истоков человеческого знания; его широко и эффективно используют все без исключения направления современной науки. Закономерности, обнаруживаемые в неисчерпаемой в своем многообразии картине природных явлений, подчиняются принципам симметрии. Эти принципы играют важную роль в физике и математике, химии и биологии, технике и архитектуре, живописи и скульптуре, поэзии и музыке [25].

Но существует еще понятие фрактальной геометрии (геометрии неправильных форм).

То, как определил фракталы Бенуа Мандельброт, который первый сформулировал определение фрактала, довольно точно описывает его: «Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин в ее неспособности описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака - это не сферы, горы - не конусы, берега - не окружности и кора дерева не является гладкой, и молния не движется по прямой.... Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Набор масштабов измерения длин объектов неограниченно велик и способен обеспечить бесконечное число потребностей. Существование этих объектов бросает нам вызов, склоняя к изучению их форм. Этого избежал Евклид, оставив в стороне вопрос о том, как быть с бесформенным, как исследовать морфологию живого. Математики пренебрегали этим вызовом, более того - хотели убежать от природы, изобретая теории, не связанные ни с чем, что бы мы могли увидеть или почувствовать» [19].

На рисунке 1 представлено фрактальное дерево, созданное с помощью компьютера английским ученым Майклом Бэтти. Каждая веточка дерева разделяется на две, чтобы в итоге создать фрактальный купол. Иллюстрация слева представляет шесть итераций или ветвлений. На тринадцатой итерации (иллюстрация справа) дерево приобретает уже более реалистические черты. Рекурсивное моделирование может генерировать различные разновидности деревьев с помощью изменения фрактального числа. Фрактальные деревья иллюстрируют тот факт, что фрактальная геометрия - мера изменений. Каждое разветвление дерева, каждый изгиб на реке, каждое изменение направления рынка - точка принятия очередного решения [19].

1.2 Описание геометрических законов

Вокруг нас с необычным упорством повторяются два вида симметрии. Один - это зеркальная, или билатеральная, симметрия — «симметрия листка» (сам листок, гусеница, бабочка), другой соответствует радиально-лучевой симметрии (ромашка, подсолнечник, грибы, деревья, султан паров, фонтан). Очень важно отметить, что на несорванных цветах и грибах, растущих деревьях, бьющем фонтане или столбе паров плоскости симметрии ориентированы всегда вертикально.

На этом основании можно сформулировать в несколько упрощенном и схематизированном виде общий закон, ярко и повсеместно проявляющийся в природе [33].

Все то, что растет или движется по вертикали, т. е. вверх или вниз относительно земной поверхности, подчиняется радиально-лучевой («ромашково-грибной») симметрии в виде веера пересекающихся плоскостей симметрии. Все то, что растет и движется горизонтально или наклонно по отношению к земной поверхности, подчиняется билатеральной симметрии — «симметрии листка» (одна плоскость симметрии).

Этому всеобщему закону послушны не только цветы, животные, легкоподвижные жидкости и газы, но и твердые неподатливые камни. Известный советский кристаллограф Г. Г. Леммлейн (1901—1962) установил, что кристаллы кварца, развивавшиеся в вертикальном направлении на дне хрусталеносной пещеры, имеют внешнюю радиальную симметрию. Вместе с тем внешняя симметрия кристаллов того же кварца, образовавшихся на стенке пещеры и разраставшихся в косом или горизонтальном направлении, нередко отвечает «симметрии листка». В этом отношении кристаллы кварца ведут себя совершенно так же, как цветы. В самом деле, цветочные чашечки, обращенные кверху (ромашка, подсолнечник), имеют, как мы уже знаем, целый веер пересекающихся плоскостей симметрии. В то же время цветы, расположенные на стебле сбоку (душистый горошек, орхидея и др.), обладают, подобно листьям, только одной плоскостью симметрии [33].

Итак, даже каменный материал покоряется нашему всесильному закону. Тем более этот закон должен влиять на податливые и изменчивые формы облаков. И действительно, в безветренный погожий день мы любуемся куполовидными их очертаниями с более или менее ясно выраженной радиально-лучевой симметрией. Но вот подул ветер, т. е. добавилась сила, действующая по горизонтали, и облака вытянулись в одном направлении, образуя фигуры «рыб», «верблюдов», «горных цепей» и других тел, так часто упоминающихся на страницах литературных произведений. Все эти тела обладают одной более или менее ясно выраженной плоскостью симметрии. К сожалению, изменчивость, расплывчатость и текучесть облаков, слишком быстро меняющихся на наших глазах, мешают увидеть это. И все-таки мы ясно улавливаем и для них проявление все того же закона симметрии с билатеральными и радиально-лучевыми формами.

Для того чтобы окончательно утвердить природный закон, надо хорошо понять и объяснить его сущность. Чем вызывается всеобщий закон симметрии, которому так послушно подчиняется природа? Почему с таким упорством повторяются два типа симметрии на всем окружающем нас?

Оказывается, что все это является в основном результатом воздействия силы земного тяготения. Работу этой силы можно сравнить с игрой ребенка, который с помощью игрушечной формочки делает одинаковые песочные пирожки. Наподобие забавы маленького ребенка, но в огромных масштабах и размерах сила земного тяготения налагает свою «длань незримо-роковую» на все находящееся в поле ее действия.

Отметим, что влияние универсального закона симметрии является по сути дела чисто внешним, грубым, налагающим свою печать только на наружную форму природных тел. Внутреннее их строение и детали ускользают из-под его власти. Все растущее, борясь с придавливающей к земле силой земного тяготения, стремится, как бы обойти ее и набирает рост не прямо вверх по вертикали, а по малозаметным винтовым линиям и спиралям. В природе тяга к спиральному росту особенно четко видна на растениях.

Учет закона симметрии помогает человеку возводить прочные постройки, конструировать подвижные машины. Невыполнение требований, вытекающих из этого закона, приводило (да и сейчас приводит) к тому, что крупные, но неправильно запроектированные сооружения бывают неустойчивыми. Обратим внимание на то, что большинство предметов в комнате имеет «симметрию листка» (стул, кресло, диван) или же радиально-лучевую симметрию (круглый стол, табурет, настольная и висячая лампы). Следовательно, все эти предметы хорошо согласуются с симметрией поля земного тяготения и вполне устойчивы.

Циклоида – простейшая кривая, которую описывает точка окружности, катящейся по неподвижной прямой. Эта кривая имеет бесконечно много точек возврата, описываемых точкой, когда катящаяся кривая опускает ее на прямую, а затем вновь поднимает с прямой (рис.2)

Циклоида обладает многими замечательными свойствами и привлекла внимание не одного выдающегося математика XVIIвека. Циклоиду также можно получить, как огибающую (семейства прямых, семейства прямых, с которыми совпадает какой-нибудь выделенный диаметр окружности, катящейся по прямой).