Новый взгляд на мир. Фрактальная геометрия - [17]
Диск Пуанкаре является частью важного ряда моделей геометрии Лобачевского, так как в реальном трехмерном пространстве (на языке математики оно обозначается
Модель, описанная Пуанкаре, — это круг, метрика которого отличается от метрики евклидовой плоскости. Метрика диска Пуанкаре такова, что все уменьшается в размерах по мере приближения к границе круга[15]. Как следствие, человек, живущий в мире Пуанкаре, никогда не сможет попасть на «край света».
ОБИТАТЕЛИ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО МИРА
Понимают ли существа, обитающие в мире Пуанкаре, в каком пространстве они живут? Представим, что один из обитателей этого мира измерил длину свой ладони, которая оказалась равной 20 см. Затем он начинает идти в сторону края круга и спустя некоторое время снова измеряет длину ладони. Для нас его ладонь уменьшится в размерах, а для него длина ладони будет по-прежнему равна 20 см, так как расстояние между делениями линейки тоже уменьшится. Измерения относительны: для нас, сторонних наблюдателей, его ладонь уменьшится в размерах, для жителя этой плоскости ее длина не изменится. Аналогично для нас его мир ограничен, а для него — безграничен, так как он никогда не сможет достичь его края. Как обитатель этого мира может понять, что живет на гиперболической плоскости? Один из возможных способов — найти сумму углов произвольного треугольника, которая будет меньше 180°. Треугольник должен быть достаточно большим, чтобы на результат не повлияла погрешность измерений, так как с увеличением размеров треугольника сумма его углов будет уменьшаться. Еще один способ — провести окружность радиуса r и убедиться, что ее длина превышает 2πr (поэтому плоскость и называется гиперболической). Однако в этом случае радиус окружности также должен быть достаточно большим.
* * *
В серии работ «Предел — круг» Эшер попытался изобразить эту метрику и свойство прямых в гиперболической геометрии, в то же время дав собственную трактовку бесконечности как вселенной в капле воды. Схемы замощения могут отличаться: представленная на рисунке схема, которую использовал в своей работе
Пуанкаре, состоит из семиугольников. Каждая вершина семиугольника является общей еще для двух семиугольников. Особенный интерес представляет картина Зшера «Ангелы и демоны», на которой пятиугольники, в которых все углы «прямые», каждой вершиной соединяются еще с тремя.
Слева — треугольная функция, которую использовал Пуанкаре в работе об эллиптических функциях. Как позднее говорил сам Пуанкаре, в этой работе он применил неевклидову геометрию. Справа — «Ангелы и демоны» Эшера.
Чешский географ и статистик Яромир Корчак изучал влияние географического местоположения на население. В 1938 г. он провел статистические исследования числа больших островов в разных регионах мира и обнаружил закон, который сыграл ключевую роль в определении понятия размерности в математике. Для данной площади S он вычислил число островов с площадью, большей чем S. Подсчитав по этому правилу число островов N(S) для каждого S, он представил результаты в виде точек на оси координат. Выполнив эти действия для разных регионов, для каждого из них он получил соответствующий график. Он заметил, что эти графики похожи: N обратно пропорционально S в определенной степени, то есть N равно константе k, разделенной на S в степени, которую мы обозначим за D:
N(S) = k/S>D.
Корчак сопоставил каждому региону соответствующее значение D. Впоследствии его результаты были уточнены, и теперь нам известно, что D для Африки (где один большой остров окружен мелкими) равно 0,5; D для Индонезии и Северной Америки (где крупные острова преобладают не столь явно) равно 0,75, а для всей планеты это число равно 0,65.
В прошлом веке многие ученые выявили похожие законы, например для словарного запаса людей или уровня воды в Ниле. Во всех этих законах фигурирует показатель степени, схожий с D. Наиболее значимым из них является закон, открытый Льюисом Фраем Ричардсоном (1881–1953), английским ученым и пацифистом, который первым применил современные математические методы для прогнозирования погоды, а также для изучения причин возникновения войн и их предотвращения. Изучая закономерности возникновения войн, он решил исследовать взаимосвязь вероятности войны между двумя странами и протяженности границы между ними.
Много лет Ричардсон собирал данные о протяженности границ между странами, но результаты его исследований были опубликованы лишь в 1961 г., спустя восемь лет после его смерти. В своей статье он отметил, что разные страны приводят разную длину одних и тех же границ с другими странами (для этого было достаточно обратиться к соответствующим справочникам). Например, в испанских справочниках длина границы между Испанией и Португалией равна 987 км, в португальских — 1214 км. Аналогично в голландских источниках указана длина границы с Бельгией в 380 км, в бельгийских источниках приведена цифра в 449 км.
