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第七章 奇妙的分形

    树木花草的分枝、山峦的尖锥、河湾的圆弧岸、云团的球形构造、闪电的曲折、海岸线的圆弧海湾,所有这些自然结构都具有不规则形状,它们都是自相似的分形。

    “嫦娥一号”飞到了月球,成功发回来了许多照片,报纸、电视上的宣传非常多。今天妞妞看到晚报上的月球表面的照片,惊奇万分,原来月亮上面是这样的!通过家里的天文望远镜能看到月亮表面的坑坑洼洼,不过由于大气层的缘故,总是看不确切。在图上现在看起来却是如此的真切,如此的细腻。

    “爸爸,这些陨石坑有多大呀?”妞妞抬起看晚报的头,瞪大眼睛问爸爸。

    “确切的大小是不知道的,不过据说月亮上的陨石坑大的能有上百公里宽,小的也有数十公里。”

    “这么大呀!爸爸你看,大圆坑边上还有一些很小的坑,小圆坑边上还有更小的圆坑!”妞妞用手指着图高声说,“它们看上去好奇怪!”

    “如果我们能够直接清晰地观看月亮,放大的倍数越大,就可以看到更加细致的东西。这实际上是我们这个世界的特征——自然物体是无限细致的。这就是说无论你怎么放大,都可以看见更加清晰和细小的细节。”

    爸爸突然想起前些时候准备的分形知识来,这也是一个很好的趣味数学话题。“你能计算出月亮表面有多少个陨石坑吗?”

    “大的还可以,小的就算不清了。”妞妞眼睛一转,“如果你先告诉我多大的陨石坑才算,我就能计算出来。”

    “妞妞真的很聪明,确实如此。如果不告诉你一个标准,你是无论如何都难以数清的。月亮上没有空气,所以哪怕是最小的宇宙颗粒都会在月球表面砸出一个小坑来。这个标准实际上就是我们观察一个事物的尺度。用妞妞的学生尺来测量万里长城,就嫌太短,对不对?可是要用妞妞的学生尺来测量细菌,就嫌太大了,对不对?”

    “对呀,要合适才好。”妞妞回答道。

    “妞妞知道海滩都是弯弯曲曲的。如果我们测量一段海岸线的长度,它的结果和我们测量时所使用的尺度有直接关系。比如,如果我们用公里作测量单位,从几米到几十米的一些弯弯曲曲的地方就会被忽略掉。如果改用米来做单位,测得的海岸线的总长度会增加,这是因为有更多的细小的弯曲被测量到。不过这个时候一些厘米量级以下的弯曲还是没有能计量到,如果我们用厘米来计量,肯定我们又能得到更加大一些的数据。”

    “那么这个数据会不会变得无穷大呢?”

    “不会,海岸线的实际长度会因为测量的精度增加而增加,但是这是一个逼近的过程,并不是一个生长的过程。还记得爸爸给你算的圆周率吗?它们会越来越逼近某一个数字,只不过精度会越来越高。”

    “它会没有限度地提高精度吗?”

    “肯定不会,因为到了原子电子这种层面之后,我们人类的测试仪器已经无法保证测试结果的精度了。你想我们需要测试一个微小的粒子的时候,必须与它接触,对不对?一接触就改变了微粒子的状态,也就谈不上测量的准确了。”

    略思考了一会儿,爸爸接着说:“当我们不断地提高观测精度,相当于把整体中的一部分放大之后,我们非常惊奇地发现,看到的局部几乎就是整体的复制品。比如,一块磁铁中的每一部分都像整体一样具有南北两极。不断分割下去,每一部分依然都具有和整体磁铁相同的磁场。你再看蕨的枝叶。”说着爸爸拿出一张画。

    “蕨的枝叶主干和大分枝的形状,与大分枝上枝干和枝叶的形状有惊人的相似。再比如雪花,由于水分子的结构,使得雪花普遍的以六边形的构造存在。总体形状是六边形,每一个细部也都是六边形。这种自己与自己相似的层次结构,适当的放大或缩小几何尺寸,整个结构不变。如果一个图形的部分以某种方式与其整体本身相似,这个图形我们就称之为分形。”

    “月亮表面的照片也是分形,对吗?”妞妞还是在想嫦娥一号绕月飞行的事。

    “对,因为我们放大这张图之后,看到的是尺寸小一些的圆圆的陨石坑,与大图的特征相似。我们看到的树、竹子、花草、山峦、河流、云彩、闪电、海岸线、星星,等等,这些自然物体和现象都是某种意义上的分形。它们看上去是杂乱无章,但实际上都严格遵守自己的规律。”妞妞看着爸爸,似乎有些不相信。

    爸爸看出了妞妞的疑惑,于是接着说:“树木花草的分枝、山峦的尖锥、河湾的圆弧岸、云团的球形构造、闪电的曲折、海岸线的圆弧海湾,所有这些自然结构都具有不规则形状,它们都是自相似的分形。”

    爸爸说着,拿出了好多张艳丽的图片,给妞妞看。

    “这是一位学生使用计算机根据自相似的原理,也就是每一个枝在相应比例的地方分出四个分支,不断重复,设计出来的一棵树,你看是不是很像一棵真正的树呀?”

    “哇,确实很像!爸爸,这些都是计算机做的分形图吗?”

    “是呀,还有些人把分形的概念用到诗歌等文学创作里面,分形还为文学的表现提供了一种新的模式,英国的幼儿园里教的分形韵律诗就是这种分形模式很好的例子。你看:

    “它们都是歪的!”妞妞忍不住笑了。

    “其实这和我们的故事很相像。从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚讲故事,讲的什么呢?从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚讲故事,讲的什么呢?从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚讲故事,讲的什么呢?从前有座山,山上有座庙,庙里有个老和尚讲故事,讲的什么呢?……”

    妞妞的小嘴不停地张合,爸爸也忍不住笑了。