Фрактальный анализ систем с детерминированным хаосом в популярном изложении

Фрактальный анализ систем с детерминированным хаосом в популярном изложении

Отрывок доклада: «Почему на даче третий год вместо гаоляна вырастает хуй-пойми-какая трава», прочитанного осенью 2010 года перед современными декадантами в поселке Рощино, где я оказался проехав свою остановку по причине того, что был абсолютно пьян.

«Наука начинается там, где начинают измерять» (Д.И. Менделеев), однако, сам процесс измерения не так прост, как это может показаться на первый взгляд. Для того что-бы измерить, скажем длину, первое что необходимо — это определиться в минимальных бинарных единицах измерения. Бинарных — значит далее не делимых. Каждый из нас рассчитывал такие единицы измерения на школьном уроке физики, когда измерял цену деления прибора.

Едва ли в тот момент мы осознавали, насколько важны вычисленные значения. На первый взгляд, от того, какой инструмент мы выберем для измерения, зависит только точность полученных данных. Чем точнее прибор, чем меньше его цена деления, тем более точный результат мы сможем получить.

Этим же правилом руководствовался английский математик Ричардсон. Проверяя гипотезу зависимости частоты войн от протяженности границ Ричардсон сравнил длину Испано-Португальской и Португальско-Испанской границы. Как ни парадоксально, но граница со стороны Португалии оказалась больше на 240 километров. Тот же эффект наблюдается при сравнении любых других границ разных по площади государств.

Дело в том, что вопреки нашим убеждениям, понятие «абсолютно точное измерение» лишено всякого смысла. Линейные, площадные и объемные величины, а следовательно и все остальные единицы измерения (напомню, тот же вес измеряется в длине отклонения пружины весов, то есть в тех же сантиметрах, которые потом переводятся в килограммы по заранее определенному соотношению) не имеют абсолютно точных значений. Чем точнее прибор тем большую величину он показывает. Длина границы, измеренная сантиметровой линейкой будет больше длины границы, измеренной метровой линейкой. Границы Португалии меньше испанских, измеряли португальцы их более подробно, увеличив этим свою сухопутную границу более чем на две сотни километров.

Более того, в природе нет геометрически правильных объектов. Все что нас окружает есть не набор точек, кривых, плоскостей и объемных тел, а нечто среднее между ними. Звучит непривычно, но строго говоря, трехмерный мир о котором мы знаем с детства есть не более чем выдумка, ничего общего не имеющая с реальностью. Мир не просто многомерен, он бесконечно многомерен. И каждая размерность в абсолютном большинстве случаев является дробным числом и, вдобавок, зависит от того, на каком диапазоне масштабов мы производим вычисления.

Рассматривая подобные объекты в 70-х годах ХХ века, Бенуа Мандельброт предложил понятие «фрактал» и принципы описания и работы с такими объектами. Фрактал есть множество, состоящее из элементов, каждый из которых подобен целому множеству. Основным свойством фрактальных объектов является степенное увеличение их размеров при линейном изменении минимальных единиц измерения.

Фрактальная геометрия помимо инструмента для описания сложности структур позволила численно выражать степень хаотичности системы.

В экологии до сих пор встречаются апологеты детерминизма и индетерминизма. Первые считают, что зная начальное положение всех компонентов системы мы можем спрогнозировать дальнейшую динамику на неопределенно большое время. Вторые убеждают их в хаотичности происходящих в мире явлений и процессов. И тем и другим следует перечитать «Эффект бабочки» Брэдбери — рассказ, ярко иллюстрирующий теорию детерминированного хаоса.

Напомню, главный герой рассказа отправившись в прошлое наступает на бабочку. Последняя не становиться кормом для хищника. Хищник не делает того, что смог бы и судьба всего мира начинает лавинообразно изменяться. В результате главный герой возвращается в совсем другой мир, с другими ценностями и законами.

Динамика природных систем крайне зависит от начальных условий. Так же как в «Эффекте бабочки», незначительное изменения начальных условий приводит к кардинальному расхождению между расчетными и реальными значениями. Вы можете округлить сотый знак после запятой и, тем самым, вместо увеличения числа видов получить его прогнозное исчезновение. Мы не можем делать длительные прогнозы погоды поскольку появление любого циклона может зависеть от того, сколько вздохов вы сделаете читая этот текст.

На верблюда можно нагрузить много соломы. В то же время нет метода оценить, какая же соломинка переломит его спину. Так же мы можем долго воздействовать на экосистему, но нет информации, через какую сломанную ветку проникнет инфекция, которая впоследствии перекинется и уничтожит весь ослабленный лес.

Анализ таких процессов невозможен без использование теории фракталов. Чем больше вид графика зависит от выбранных единиц измерения, тем сильнее динамика зависит от начальных величин, тем ближе «последняя соломинка» и сильнее опасность гибели экосистемы.

Теоретически, возможно разработать метод подмены временных и пространственных осей. Если в одной точке местности у нас болото, а в другой сосняк с лишайниками, то при переходе от одной точки к другой мы будем наблюдать такие же изменения, какие бы происходили с болотом во времени при замене болотных условий произрастания на условия лишайникового сосняка. Фрактальный анализ позволяет определить те единицы измерения условий, в которых можно планировать максимальную нагрузку без риска уничтожения сообществ.

Нельзя оценить количество соломинок, которое выдержит верблюд, но можно разбить все сено на охапки таким образом, что-бы исключить попадание охапки с критичной соломиной на хребет бедного животного. Невозможно разработать предельно-допустимые нормативы, но для каждой последующей партии выбросов есть способ оценить степень риска уничтожения природного сообщества.

Конечно же, это утрированное описание. Говорить о динамике без упоминания фрактальности времени (да, событие измеренное часами длится дольше чем измеренное годами), нечетких вычислений, золотого сечения и определения жизни как явления довольно сложно. Проводя аналогию с Р. Брэдбери можно сказать, что данная работа позволяет связать между собой опасность негативных изменений в будущем с размером сапогов главного героя. Да, как ни парадоксально, но рождение, выбор и смерть каждого из нас зависят от бесконечно ничтожной ерунды. Такой вот забавный природный факт.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.