Чтение онлайн

«Это самое удивительное, с чем я когда-либо встречался в науке».

Вольфрам был поражен. Он внимательно проанализировал колонку, расположенную под исходной живой клеткой.

«Правило 30»: его генетические законы, его эволюция после 50 поколений и эволюция после более 200 поколений (А. Беллос. «Красота в квадрате. Как цифры отражают жизнь и жизнь отражает цифры») в первом ряду. Если взять за основу то, что живая клетка — это 1, а мертвая — 0, то эта колонка состояла из таких клеток:

«Правило 30»: его генетические законы, его эволюция после 50 поколений и эволюция после более 200 поколений (А. Беллос. «Красота в квадрате. Как цифры отражают жизнь и жизнь отражает цифры»)

В этом не было никакой закономерности. К большому удивлению Вольфрама, стандартные статистические тесты показали, что это абсолютно произвольная последовательность. «Правило 30» полностью детерминировано, однако конфигурация ячеек в центральном столбце настолько непредсказуема, что ее невозможно отличить от последовательного подбрасывания монеты. Вольфрам запатентовал «правило 30» как генератор псевдослучайных чисел и применил его в продукте Wolfram Research — Mathematica. Также это правило было предложено для использования как шифратор последовательностей в криптографии. Однако Сиппер и Томассини показали, что «правило 30» плохо проходит тест на критерий согласия Пирсона (критерий ?2) в сравнении с другими псевдослучайными последовательностями, которые были получены при помощи других клеточных автоматов.

Порядок из хаоса. Все начинается с произвольного заполнения первого ряда клеток, которые в процессе работы клеточного аппарата спонтанным образом производят упорядоченные образования с долгосрочными корреляциями (в данном случае фракталы Серпинского). См.: Пол Девис. Новые открытия творческой способности природы к самоорганизации. М., 2011

Вольфрам открыл следующее:

«Начиная уже с той совокупности, где каждая возможная конфигурация возникает с равной вероятностью, эволюция клеточного автомата увеличивает вероятности отдельных конфигураций и тем самым снижает энтропию».

Таким образом, энтропия в процессе эволюции сложного клеточного автомата может сокращаться, а порядок может спонтанно возникать из беспорядка. В этом смысле клеточный аппарат моделирует поведение диссипативных структур Пригожина, в которых порядок появляется из хаоса. Вольфрам и его коллеги утверждают:

«Свойства поведения клеточных автоматов могут оказаться общими свойствами поведения многих сложных систем с необратимой динамикой».

Клеточные автоматы — это дискретные математические модели, в которых простые локальные правила генерируют неожиданно сложное поведение в более крупном масштабе. Вольфрам — один из главных сторонников той точки зрения, что клеточные автоматы — не только увлекательная математическая игра, но и способ объяснить сложность физического мира. Мысли Вольфрама по этому поводу изложены в книге «А New Kind of Science» («Новый вид науки»), которую он опубликовал на свои средства в 2002 году. В частности, в ней Вольфрам утверждает, что информация, полученная благодаря анализу «правила 30», открывает новую научную парадигму примирения порядка и хаоса. Правило представляет интерес, потому что оно порождает сложные, во многих отношениях случайные структуры из простых, четко определенных правил. Вольфрам полагает, что клеточные автоматы в целом и «правило 30» в частности — ключ к пониманию того, как простые правила могут порождать сложные структуры и различное сложное поведение разных природных объектов. В своей книге он задается фундаментальным вопросом о структуре Вселенной и дает неожиданный ответ:

«Структура Вселенной аналогична решетке в моделях клеточных автоматов, которая существует вне пространства и времени».

Вне пространства и времени существует символическая реальность. В начале книги я говорил, что необходимо изменить наши представления о реальности так, чтобы признать символ столь же реальным и весомым как вещество и действие. Символ существует вне пространства и вне времени, но он структурирует материю и упорядочивает ее поведение в пространстве и времени. Собственно само пространство и само время есть символические качества, которые доступны нам благодаря шестому чувству — сознанию. Сознание — это такое чувство, которое позволяет воспринимать и различать символы. Символы благодаря своему рациональному и чувственному воздействию формируют реальность, которая поддерживает и производит символический строй.

Мультифракталы — это «составные», «неоднородные» или «комплексные» фракталы, в построении которых задействовано несколько последовательно сменяющих друг друга алгоритмов. Каждый из них генерирует паттерн со своей фрактальной размерностью.

Мультифрактал — обобщение фрактала, для описания которого недостаточно одной размерности. Вместо нее требуется много размерностей.

Чтобы пояснить, что такое мультифрактал, рассмотрим примеры.

Если кривая состоит из линии Коха с D = 1,261 и линии Гивена с D =1.465, то из уравнения

численным решением находим D = 1,226. Интересно, что в данном случае имеем точное решение:

Мультифрактальная размерность линии, составленная из кривой Коха и кривой Гивена

Если двухмерный «ковер Серпинского» на основе квадратов имеет фрактальную размерность D = ln8/ln3 = 1,893..., а двухмерный «ковер Серпинского» на основе треугольников имеет фрактальную размерность D = ln3/ln2, то полученная на их основе мультифрактальная фигура будет иметь фрактальную размерность D = 1,4483...

Размерность, вычисляемая по формуле

R1D + R2D = RD,

называется мультифрактальной.

«Ковры Серпинского»: а — квадратный; б — треугольный; в — мультифрактальная фигура

Построение двухмасштабного канторовского стержня с l1 = 1/4 и l2 = 2/5. Фрактальная размерность такого канторовского множества D = 0,6110

В тонком слое между порядком и хаосом, в окрестности критической точки, происходит каскад бифуркаций и формируется фрактальное множество точек бифуркаций — пыль с интересными и нетривиальными свойствами (в литературе используются также термины «критический аттрактор» или «аттрактор Фейгенбаума»). Эта пыль имеет фрактальную размерность. Для критического аттрактора Фейгенбаума она вычислена с высокой точностью и составляет

Так как фрактальная размерность критического аттрактора меньше единицы, можно заключить, что он имеет нулевую меру, если ее понимать как предел суммарной длины интервалов, оставляемых на последовательных уровнях построения. В то же время, как и канторово множество, он обладает мощностью континуума. Последнее вытекает из того, что можно построить правило кодирования принадлежащих аттрактору точек в виде мультифрактала с двумя масштабами r и d. Довольно хорошей аппроксимацией критического аттрактора служит двухмасштабное канторово множество.