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法裔美国数学家Mandelbrot 85岁在美国马塞诸塞州辞世
毛宁波 2010-10-20 21:53
据美国新闻媒体报道,美国东部时间10月14日法裔美国数学家Benoit Mandelbrot 85岁(20 November 1924 14 October 2010)在马塞诸塞州剑桥市临终医院因胰腺癌辞世。Mandelbrot是分形之父, 1982年他出版了著名的自然的分形几何著作,标志着分形几何的诞生。他在分形方面的工作成为混沌理论的基础,也是计算机数据压缩和医学图像纹理以及模拟 湍流对飞机机翼造型设计的关键。Benoit Mandelbrot 出生于波兰(父母是犹太人),孩童时代移居法国,他大部分时间在美国生活和工作,他具有法国和美国双重国籍。 1958-1987年 Mandelbrot 一直在IBM工作,1987-2005在耶鲁大学工作,2005年退休后一直生活在麻州的剑桥市。    Benoit Mandelbrot, a mathematics pioneer and the father of the principle of fractal geometry, has died in the US at the age of 85. The fractal principle uses mathematical fromulas to attempt to understand complexity of natural world In his seminal 1982 work The Fractal Geometry of Nature, Mandelbrot argued that seemingly random patterns could in fact be the same infinitely repeated shape. He once used a cauliflower to describe the mathematical principle, pointing out that the shape of the vegetable was repeated over and over The mathematical principle has been used to measure shapes previously thought unmeasurable, including coastlines and mountains. Mandelbrot also applied the concept to economics, but he was critical of the global financial system, believing it to be too complex to properly function. Fractal geometry can be depicted in intricate and colourful computer designs which have become popular as artworks in their own right. One fractal variation was even named after Mandelbrot. The Mandelbrot Set has had a huge influence on mathematics and culture - examples have even been known to appear as crop formations. Mandelbrot的早年生活 Early years Mandelbrot was born in Warsaw into a Jewish family from Lithuania .He was born into a family with a strong academic traditionhis mother was a medical doctor and he was introduced to mathematics by two uncles, one of whom, Szolem Mandelbrojt , was a Parisian mathematician. However, his father made his living trading clothing. Anticipating the threat posed by Nazi Germany , the family fled from Poland to France in 1936 when he was 11. Mandelbrot attended the Lyce Rolin in Paris until the start of World War II , when his family moved to Tulle . He was helped by Rabbi David Feuerwerker , the Rabbi of Brive-la-Gaillarde , to continue his studies. In 1944 he returned to Paris. He studied at the Lyce du Parc in Lyon and in 1945-47 attended the cole Polytechnique , where he studied under Gaston Julia and Paul Lvy . From 1947 to 1949 he studied at California Institute of Technology , where he earned a master's degree in aeronautics .Returning to France, he obtained a PhD in Mathematical Sciences at the University of Paris in 1952. From 1949 to 1958 Mandelbrot was a staff member at the Centre National de la Recherche Scientifique . During this time he spent a year at the Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey , where he was sponsored by John von Neumann . In 1955 he married Aliette Kagan and moved to Geneva, Switzerland , and later to the Universit Lille Nord de France . In 1958 the couple moved to the United States where Mandelbrot joined the research staff at the IBM Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York . He remained at IBM for thirty-two years, becoming an IBM Fellow , and later Fellow Emeritus . 学术生涯 Academic career From 1951 onward, Mandelbrot worked on problems and published papers not only in mathematics but in applied fields such as information theory , economics , and fluid dynamics . He became convinced that two key themes, fat tails and self-similar structure, ran through a multitude of problems encountered in those fields. Mandelbrot found that price changes in financial markets did not follow a Gaussian distribution , but rather Lvy stable distributions having theoretically infinite variance . He found, for example, that cotton prices followed a Lvy stable distribution with parameter equal to 1.7 rather than 2 as in a Gaussian distribution. Stable distributions have the property that the sum of many instances of a random variable follows the same distribution but with a larger scale parameter . Mandelbrot also put his ideas to work in cosmology . He offered in 1974 a new explanation of Olbers' paradox (the dark night sky riddle), demonstrating the consequences of fractal theory as a sufficient, but not necessary, resolution of the paradox. He postulated that if the stars in the universe were fractally distributed (for example, like Cantor dust ), it would not be necessary to rely on the Big Bang theory to explain the paradox. His model would not rule out a Big Bang, but would allow for a dark sky even if the Big Bang had not occurred. In 1975, Mandelbrot coined the term fractal to describe these structures, and published his ideas in Les objets fractals, forme, hasard et dimension (1975; an English translation Fractals: Form, Chance and Dimension was published in 1977). Mandelbrot developed here ideas from the article Deux types fondamentaux de distribution statistique (1938; an English translation Two Basic Types of Statistical Distribution ) of Czech geographer , demographer and statistician Jaromr Kor?k . While on secondment as Visiting Professor of Mathematics at Harvard University in 1979, Mandelbrot began to study fractals called Julia sets that were invariant under certain transformations of the complex plane . Building on previous work by Gaston Julia and Pierre Fatou , Mandelbrot used a computer to plot images of the Julia sets of the formula z ² . While investigating how the topology of these Julia sets depended on the complex parameter he studied the Mandelbrot set fractal that is now named after him. (Note that the Mandelbrot set is now usually defined in terms of the formula z ² + c , so Mandelbrot's early plots in terms of the earlier parameter are leftright mirror images of more recent plots in terms of the parameter c .) In 1982, Mandelbrot expanded and updated his ideas in The Fractal Geometry of Nature . This influential work brought fractals into the mainstream of professional and popular mathematics, as well as silencing critics, who had dismissed fractals as program artifacts . Mandelbrot left IBM in 1987, after 35 years and 12 days, when IBM decided to end pure research in his division. He joined the Department of Mathematics at Yale , and obtained his first tenured post in 1999, at the age of 75. At the time of his retirement in 2005, he was Sterling Professor of Mathematical Sciences. His awards include the Wolf Prize for Physics in 1993, the Lewis Fry Richardson Prize of the European Geophysical Society in 2000, the Japan Prize in 2003, and the Einstein Lectureship of the American Mathematical Society in 2006. The small asteroid 27500 Mandelbrot was named in his honor. In November 1990, he was made a Knight in the French Legion of Honour . In December 2005, Mandelbrot was appointed to the position of Battelle Fellow at the Pacific Northwest National Laboratory . Mandelbrot was promoted to Officer of the Legion of Honour in January 2006. An honorary degree from Johns Hopkins University was bestowed on Mandelbrot in the May 2010 commencement exercises. 分形Fractals and regular roughness Although Mandelbrot coined the term fractal , some of the mathematical objects he presented in The Fractal Geometry of Nature had been described by other mathematicians. Before Mandelbrot, they had been regarded as isolated curiosities with unnatural and non-intuitive properties. Mandelbrot brought these objects together for the first time and turned them into essential tools for the long-stalled effort to extend the scope of science to non-smooth objects in the real world. He highlighted their common properties, such as self-similarity (linear, non-linear, or statistical), scale invariance , and a (usually) non-integer Hausdorff dimension . He also emphasized the use of fractals as realistic and useful models of many rough phenomena in the real world. Natural fractals include the shapes of mountains , coastlines and river basins ; the structures of plants, blood vessels and lungs ; the clustering of galaxies ; and Brownian motion . Fractals are found in human pursuits, such as music , painting , architecture , and stock market prices. Mandelbrot believed that fractals, far from being unnatural, were in many ways more intuitive and natural than the artificially smooth objects of traditional Euclidean geometry : Clouds are not spheres, mountains are not cones, coastlines are not circles, and bark is not smooth, nor does lightning travel in a straight line. Mandelbrot, in his introduction to The Fractal Geometry of Nature Mandelbrot has been called a visionary and a maverick. His informal and passionate style of writing and his emphasis on visual and geometric intuition (supported by the inclusion of numerous illustrations) made The Fractal Geometry of Nature accessible to non-specialists. The book sparked widespread popular interest in fractals and contributed to chaos theory and other fields of science and mathematics. When visiting the Museu de la Cincia de Barcelona in 1988, he told its director that the painting The Face of War had given him the intuition about the transcendence of the fractal geometry when making intelligible the omnipresent similitude in the forms of nature. He also said that, fractally, Gaud was superior to Van der Rohe . Death Mandelbrot died in a hospice in Cambridge, Massachusetts , on 14 October 2010 from pancreatic cancer , at the age of 85. Reacting to news of his death, mathematician Heinz-Otto Peitgen said if we talk about impact inside mathematics, and applications in the sciences, he is one of the most important figures of the last 50 years. Chris Anderson described Mandelbrot as an icon who changed how we see the world. French President Nicolas Sarkozy said Mandelbrot had a powerful, original mind that never shied away from innovating and shattering preconceived notions. Sarkozy also added, His work, developed entirely outside mainstream research, led to modern information theory.
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[转载]美丽的分形
wrc218 2010-10-20 20:04
Mandelbrot:美丽的分形 谨以此文悼念分形之父(Mandelbrot)曼德勃罗先生! 著名数学家,被誉为分形之父的Mandelbrot先生,美国时间10月15日在马萨诸塞州剑桥辞世,享年85岁。他用美丽改变了我们的世界观,他被认为是20世纪后半叶少有的影响深远而且广泛的科学伟人之一,1993年他获得沃尔夫物理学奖,他是美国科学院院士,生前还被选为美国物理学会、美国统计学会、IEEE、计量经济学会、数理统计学会等学会的会士。 大概是拥有犹太人血统,他是一位非常另类的科学家,特立独行,喜欢提出新问题和新猜想,他的论文涉及数学、信息论、经济学、金融学、语言学、生理学等几十个学科。曼德勃罗前半生的学术生涯可以用坎坷两字来形容,过着打一枪换一个地方的学术流浪者的生活,孤独地一个人行走,没有同道,论文几乎都被主流学术界无情地枪毙,被退回的手稿堆积如山。坚强的他选择了创立新的学科,自己开拓一片天地,奇迹终于出现了,1975年他独自创立了分形(Fractal)学,出版了一系列奠定分形学说的著作,赢得了世界性的声誉和学术地位。 分形(Fractal)一词,是曼德勃罗创造出来的,其原意是不规则、支离破碎的意思,所以分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。按照分形几何学的观点,一切复杂对象虽然看似杂乱无章,但他们具有相似性,简单地说,就是把复杂对象的某个局部进行放大,其形态和复杂程度与整体相似。在分形世界中,每个人都可以在身边熟悉的事物中找到戏剧性的新发现,比如中国的海岸线有多长?分形学认为这是一个不确定的答案,海岸线的长度取决于你用什么样刻度的尺子进行测量,刻度越细,所测量的海岸线长度就会更长,乃至无限。如今分形学的研究成果已经广泛地应用于物理、化学、生物、地质、农业、金融、艺术等诸多领域,其不规则图形设计理念甚至影响流行文化。 如果我没有记错的话,最早把分形引进中国的是中科院沈阳金属所的龙期威研究员,他首先把分形理论应用于金属断裂的研究,龙期威先生还为在中国推广分形学的研究做出了贡献,这其中最大的受益者当属四川大学校长谢和平院士。我至今仍清楚地记得,1989年在金属所举办的全国分形学研讨会,恰好在金属所学习的我经常去旁听,那次研讨会留给我最深印象的不是那些做报告的专家,而是坐在我身边的一位壮汉,他特喜欢提问题,那浓重的湖南音总能引起全场一片善意的笑声,他就是谢和平先生,谁也没有料到日后他会成为一名院士和著名大学的校长,他学术上最大的贡献就是把分形方法引入到裂隙岩体的研究,形成了裂隙岩体非连续行为分形研究的新方向,不夸张地说是曼德勃罗先生的美丽分形成就了谢和平先生。 有学者这样说过:为什么世界这么美丽,因为我眼睛看到的都是分形,大到海岸线、山川形状、天空的云朵,小到一片树叶、一片雪花、皮蛋里的花纹,分形无处不在,无处不有。 本文引用地址: http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=375041 * 本文仅代表博主个人观点,与科学网无关。
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纪念大师芒德勃罗(B.B.Mandelbrot)
热度 1 antiscience 2010-10-20 18:07
当代最富有创新精神的科学家芒德勃罗(Benoît B. Mandelbrot ,1924 .11.20–2010.10.14)最近去世,1998年我曾为他写过小传“ 芒德勃罗:沿着博物学传统走来 ”(印刷版见 《科学巨星》第10辑,陕西人民教育出版社1998年 ),在网上此长文被转贴过无数次,当然也被删减得乱七八糟、许多符号都成了乱码,参考文献经常被删除。此文较全的版本见: http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=280191 。 现在无时间再写纪念文章,仍以那篇小传怀念这样一位巨人吧。传说中,先生很牛,爱与人争吵,不过我与他打过几次交道,先生给我的印象非常好。从IBM寄来的邮包,都是他亲自写地址、邮寄的。先生的探索之路,可能对研究生有启示意义。 有一阵儿,偶对他创造的分形概念极感兴趣,曾出版过一本书 《分形艺术》(湖南科技出版社1998年) 。 〖LM〗[方正排版“另起一页”的意义。下文中空白处有一些无法显示的方正排版符号] 〖BT1〗芒德勃罗:沿着博物学传统走来? 刘华杰 1994年冬天的一个下午,北京中关村五所大楼高等科学科技研究中心报告厅内,一位年逾70 的大科学家正在作一场关于分形(fractal)的报告。此人戴着一双宽大的眼镜,圆滚的“将 军肚儿”微微向前挺起,颇像复平面上那个经过渲染的宝葫芦(指?M?集)。他拖着浓重的 法国口音,用英语自信地讲述着分形几何学的最新进展,这门学科起初几乎是他一人独自开 创的。他不时打量一下前排就坐的他的妻子和来自中国科学院理论物理所与北京大学的众多 非线性科学专家,当然还有数量更多的年轻研究生们,这些人没准会成为他的门徒。主讲人 时而觉得太冷,急忙穿上外套,时而觉得太热,又脱掉外套,在半个小时内竟这样重复了三 四次之多。这多少有些奇怪的举止惹得学生小声议论起来,而负责报告厅空调设备的工作人 员则局促不安地随着报告人的每次穿脱外套,走向室内两个高大立式空调前扭动几下旋扭。 ? 此人便是长期在IBM沃森中心供职、赫赫有名的芒德勃罗(Benoit B.Mandelbrot,1924- )教 授,那位在多种学科“流浪”了20余年才得到学界广泛承认的分形之父,那位近些年来不断 得到各种荣誉和奖励但也到处与同行发生争执的人物。? 他只是个性有些特别,对中国以及中国人并无恶意。1996年8月他再次来访中国参加李政道 主持的题为“简单与复杂”的国际学术研讨会。对于中国文化和文字他还有几分向往,他称 中国文字个个是图形,这正合他的几何学思维方式,只可惜一个也不认识。据说,经他从中 斡旋,他的名著《大自然的分形几何学》(?The Fractal Geometry of Nature?,1982)中 译本在中国首次印行可以免收版税。但遗憾的是,时过多年,译本还未面世。大约9年前就 听说译本不久行将出版。〖ZW(〗上海远东出版社1999年已经出版此书中译本。〖ZW)〗? 〖BT2〗家庭背景与成长经历〖HT〗? 波努瓦·芒德勃罗1924年11月20日生于波兰华沙,祖籍是立陶宛犹太人。据一位语言学家讲 ,在立陶宛语中“Man”读作“芒”,所以这里不译作“曼”。波努瓦的父亲是成衣商,母 亲是牙科医生。? 出于对地缘政治现实的警觉,1936年在他11周岁时举家迁往巴黎。这也部分是受其叔父佐列 姆·芒德勃罗伊(Szolem ?Mandelbrojt,?1899-1983)的吸引,当时佐列姆是法国的一位数 学家。佐列姆通过阅读庞加莱(Jules?Henri Poincar?e??,1854-1912)和阿达马(Jacqu es?Salomon Hadamard,1865-1963)的著作学会法语,他到法国是因为法国是经典分析的摇 篮。? 芒德勃罗的父亲很骄傲已经将佐列姆扶养大,佐列姆是父亲最小的弟弟,比他小16岁之多。 父亲是位很重学问的人,祖上几代人也都是学者。“事实上家庭里每个人都像一位学者或 者期望成为一位学者,至少部分时间是这样。”??[4]?不幸的是,许多学者都忍饥挨 饿。? 芒德勃罗的父亲是很实际的人,他发现最好能拥有一个固定职业。他的工作是做衣服并卖衣 服,他并不喜欢这个职业,然而他认为:一个学者的独立性和幸福最好建筑在一份具有不同 来源的稳定收入基础之上,特别是这种收入对于世界性大灾难不能过分敏感。成衣商这种职 业当然是一个好的选择,因为无论什么时候人们都得穿衣服!? 中学时,波努瓦的数学与科学成绩在班上相当出色。高中毕业后,由于家庭生活拮据,加上 他不喜欢大城市,于是在家里待了一段时间,没有接着读高等院校。芒德勃罗解释说,这段 时间里他“拎着一些破旧而过时的书籍,以他自己的方式学习着,自我猜测着许多事情,做 任何事均不采取理性或者半理性的方式,但这样却培养了自己极大的独立性和自信心”。? 当问及一生中何人、何事对他影响最大时,芒德勃罗说,“对我影响最大的是我的一个叔叔 [佐列姆]。作为一个杰出的数学家,这位叔叔以矛盾的方式影响着我。对我影响最大的事 件则是本世纪的[战争]灾难,它们不断影响着我接受正规的学校教育。我所受到的教育基 本上是浑沌的。”??[4]?? “1929年,当时我5岁,我叔叔佐列姆·芒德勃罗伊成为克莱蒙特?弗兰特(Clermont?Ferr and)大学的教授。当我13岁时他升任阿达马的继承人位置,成为巴黎法兰西学院勒贝格(Hen ri L?e??on Lebesgue,1875-1941)的同事。因此,我总是能够分享父辈们生活中以及创 建新数学过程中遇到的许多事情。阿达马、勒贝格、蒙泰尔(Paul Montel,1876-1975)及 当儒瓦(Arnaud Denjoy,1884-1974)都是关系不太远的叔伯。当我还是一个小孩子时,就曾 学着拼写高斯的名字,为我叔叔写的一本书寻找印刷错误。”??[4]?? 第二次世界大战爆发了,在纳粹到来之前,全家不得不扔掉一切,只拎了几只箱子,加入难 民潮,一起从巴黎向南涌到逃难的马路上。最后到了土湟(Tulle)镇。芒德勃罗的经历与另 一位浑沌探索者利比查伯(Albert Libchaber,法国实验物理学家,用小盒中的氦对流实验 验证了周期倍化分岔)相仿。利比查伯是波兰犹太人的儿子,战争中也采取了与芒德勃罗相 似的办法得以幸存。??[3]?? 1944年,芒德勃罗以班级第一名的身分通过了法国著名的“两校”入学考试,被高等师范学 校录取。“我20岁时,尽管完全缺乏正式准备,在盛大的法国考试中却表现极佳。我叔叔想 当然地认为我这个有天赋的侄儿准走他的道路,将来搞数学研究。”??[4]?这两校指 “高等师范学校”(Ecole Normale Sup?e??rieure)和“综合工科学校”(Ecole Polytec hnique),名字在今天听起来,远比不上我们熟知的一堆大学,但却是法国最好的大学,也 属于世界上最有名气的大学。当时这两校每年招生人数极少,考试也出了名地艰难,考试持 续一个月之久。芒德勃罗回忆说,当时他的代数与分析基础并不好,但几何直觉不错,考试 时他总是设法将代数与分析问题化成几何问题,巧妙地将它们解决,他称此为合法性“作弊 ”(cheating)。芒氏虽然考得不错,但他对法国教育中的处处考试、处处打分的习惯表示不 满,他曾嘲笑道:“如果法国想取得国际象棋世界冠军,最好的办法也许是在综合工科学校 里讲授国际象棋”。? 芒德勃罗与其叔叔佐列姆对数学有完全不同的口味。叔叔佐列姆是一位非常经典的分析学家 ,而波努瓦·芒德勃罗更倾向于几何,他称自己为几何学家。叔叔佐列姆认为几何是已死掉 的学科,只对小孩子学数学还有一些意义,人们只有超越它才能取得天才的学术贡献。但是 芒德勃罗不相信这种观念,也不喜欢分析学派的那种“高雅”风格。? 佐列姆的愿望终于落空了。他始终搞不明白小芒德勃罗究竟出了什么问题,于是对他做什么 不再感兴趣了。不过,他们还是朋友。叔叔佐列姆对芒德勃罗的工作和生活有很大负面影响 。? 早在1914-1918年的时候,芒德勃罗的父亲希望聪明的弟弟佐列姆主修他向往的领域——化 学工程(约翰·冯·诺伊曼的父亲也希望儿子学习化工)。1939-1945年风波过后,父亲担心 弟弟的成功只是侥幸,这次让儿子波努瓦·芒德勃罗将来作一名工程师。“因为我对所谓的 ‘几何学之死’不以为然,又因为我不喜欢以理科作替代,于是接受了父亲的建议,我特别 让自己离数学越远越好。”? 由于不喜欢布尔巴基学派(解释见后文)的数学,芒德勃罗在高等师范学校念了没几天,就转 到了综合工科学校。1947年芒德勃罗从法国综合工科学校毕业。1948年获美国加州理工大学 硕士学位;1952年获巴黎大学博士学位。随后几年他不断在几个学科中游荡,先后“闯入” 过物理学、经济学、生理学、语言学和其他一些似乎毫不相关的学科。他喜欢用“intellec tual wanderer”(有知识的流浪汉)、“wandering around”(游荡)等字眼描写自己的学术 生涯和人生经历。? 芒德勃罗的博士学位论文显示了其从事交叉学科研究的才能。论文分两部分,第一部分采用 数学理论研究词汇中字母的分布规律;第二部分研究热力学。将不同学科中的理论有机地组 织一起,用于研究某一个特定问题,这代表着芒德勃罗科学研究工作的特色。? 到美国后,他最先是作为麻省理工学院的一名研究助理(research associate),1958成为约 克郡高地沃森研究中心(T.J.Waston Research Center,IBM的一个研究基地)物理部研究人 员(staff member)。? 芒德勃罗曾在日内瓦大学(1955-1957),法国里尔(Lille)大学及综合工科学校(1957-1958) 任数学讲师。曾任耶鲁大学罗宾逊(Abraham Robinson)数学科学副教授,麻省理工学院经济 学讲师和访问教授及应用数学访问教授,哈佛大学经济学、应用数学与数学访问教授,耶鲁 大学工学访问教授,爱因斯坦医学院生理学访问教授,巴黎沙特(Paris?Sud)大学数学访问 教授。1987年成为耶鲁大学数学教授。? 芒德勃罗因创造了原来根本不存在的分形学科而一举成名。1975年以法文出版《分形对象: 形、机遇与维数》(?Les Objets Fractals:Forme,Hasard et Dimension?),1977年以英 文出版《分形:形、机遇与维数》(?Fractals:Form,Chance and Dimension?),1982年出 版《大自然的分形几何学》。最后一部影响最大,它是分形学科的宣言书,包罗万象,显示 了将分形用于自然现象描述的重要性。到目前为止他一共写过这三部书,后面每一部都是对 前一部的修订和增补,其中相当部分是重写的。他对自己的专著的描述用词是:“普及性的 ”、“随笔”(Essay)、“宣言书”、“从头到尾都是序言”。最后一句是仿达西·汤普森 (D?Arcy Thompson,1860-1948),汤普森曾写过一部巨著《论生长与形式》,但汤氏称该书 从头到尾都是序言。? 据初步统计,到1989年底他已经发表了123篇论文,内容极其庞杂,涉及语言学、概率论、 通讯工程、水利学、经济理论、金融分析、布朗运动、湍流、复迭代、宇宙学、临界现象与 相变等等。? 芒德勃罗不是传统意义上的数学家、科学家,他的经历和学术生涯史无前例。1973年以前, 他一直不被各领域的科学家所认同,“分形理论”诞生后他的“政治”地位(他自己愿意用 这样的词汇)剧变,成为世界上最有名气的科学家之一。通过因特网(Internet),可以很好 地检验一个人的知名度:用万维网(WWW)浏览器打开Yahoo!检索引擎,输入“Mandelbrot” 或者“fractal”,几秒种内便可查到上万条信息。仅从这一点来看,当今世界还没有哪位 科学家如此赫赫有名,即使将他与影视名星放在一起,其知名度也不逊色。? 科学界曾两次为他举行国际范围的祝寿活动,并相应出版了祝寿科学论文集。一次是1989年 在其65岁生日时,纪念文集以《物理学D》(?Physica? D,专门刊登非线性科学方面的论 文)杂志专号出版(1989年第38卷),刊登了他的大幅照片及详细学术经历。另一次是1994年 他70大寿(会议拖到1995年举行),纪念文集由新加坡的《分形》(?Fractals?,1991年创 办的一份关于“大自然复杂几何的跨学科”学术杂志)杂志专号出版(1995年第3卷第3期)。 对一位科学工作者而言,这是很不容易享受到的荣誉。? 芒德勃罗现为美国艺术与科学院院士,美国国家科学院外籍院士,欧洲艺术、科学与人文学 院院士。他曾荣获巴纳奖章(F.Barnard Medal,1985)、富兰克林奖章(Franklin Medal,1986 )和物理学沃尔夫奖(Wolf Prize,1991),还有其他若干奖励。? 芒德勃罗开创的分形理论近年来十分红火,据阿哈罗尼?(Amnon? Aharony)和费德(Jens F eder)1989年对INSPEC数据库统计,公开发表的分形论文累计数量符合指数规律exp?{(t-1 974)/1.74},其中t?代表年份,这表明每年论文数量以1.8的因子增加。? 〖BT2〗博学成就了事业〖HT〗? 进入20世纪,各门科学早已扬弃了博物学的传统,林耐(Carl von Linn?e??,1707-1778) 、莱伊尔(Charles Lyell,1797-1875)和达尔文(Charles Robert Darwin,1809-1882)的时代 一去不复返了,现在很难找到某人因采用博物学方法而取得重大成功,但芒德勃罗是个极大 的例外,他是现代科学界最大的博物学家(naturalist)。他十分推崇《论生长与形式》(? On Growth and Form)?的作者达西·汤普森,这也间接表明他的博物学倾向。? 他的思维方式很特别,喜欢几何是一个特征,此外他更关心数学史和物理学史(杨振宁、李 政道等大科学家也都十分重视科学史)。多数研究人员总是找最新的学术期刊来阅读,以便 能跟上科学技术日新月异的形势。而他专门找一些破旧的、没人翻看的期刊,并且时常注意 一些不起眼的非核心刊物。这是一个成才策略问题。? 芒氏特别重视那些当时非主流的思想,尤其是那些被称作“病态的”、“反直觉的”的东西 。“医生和律师用各种‘病例集’和‘案例集’来称呼有一个共同题目的实际病例和案例的 汇编。而科学上尚无相应的专门名词,因此我建议也应用‘范例集’这个名词。重要的范例 需倍加注意,而稍次的也应给予评述:通常可利用先例而缩短讨论。”??[2]?因此诸 如现在人们熟悉的康托尔(Georg Ferdinand Philip Cantor,1845-1918)三分集、外尔斯特 拉斯(Karl Theodor Wilhelm Weierstrass,1815-1897)不可微曲线、可充满正方形区域的皮 亚诺(Giuseppe Peano,1859-1932)曲线、谢尔宾斯基(Waclaw Sierpinski,1882-1969)地毯 与海绵、柯赫(H.von Koch,1870-1924)雪花曲线等等,都被他视为珍宝。而这些一直被正统 科学视为少数的反例,只是在教学过程中作为一种逻辑可能性偶而提到。在分形如此流行的 今天,本文没有必要一个一个地仔细讲述这些“怪物”(芒氏视其为“宝贝”)的具体性质, 从任何一本关于分形的书中都可以容易找到一些例子。? 芒氏把世人的想法正好颠倒过来,他认为别人视为怪物的东西恰恰是最普通的类型;别人视 为想当然的无比美好的点、线、面、体却是例外。长期的观察、收集与总结,使芒德勃罗获 得这样一个印象:除了光滑的欧氏几何(广义的,泛指分形几何以外的标准几何)以外,应该 还有一种不光滑的几何,这种几何更适于描写大自然的本来面目。? 在其代表著《大自然的分形几何学》中,芒德勃罗如是说:“为什么几何学常常被说成是‘ 冷酷无情’和‘枯燥乏味’的?原因之一在于它无力描写云彩、山岭、海岸线或树木的形状 。云彩不是球体,山岭不是锥体,海岸线不是圆周,树皮并不光滑,闪电更不是沿着直线传 播的。更为一般地,我要指出,自然界的许多图样是如此地不规则和支离破碎,以致与欧几 里得(几何)——本书中用这个术语来称呼所有标准的几何学——相比,自然界不只具有较高 程度的复杂性,而且拥有完全不同层次上的复杂度。自然界图样的长度,在不同标度下的数 目,在所有实际情况下都是无限的。这些图样的存在,激励着我们去探索那些被欧几里得搁 置在一边,被认为是‘无形状可言的’形状,去研究“无定形”的形态学。然而数学家蔑视 这种挑战,他们想出种种与我们看得见或感觉到的任何东西都无关的理论,却回避从大自然 提出的问题。”??[2]?? 芒氏认为,分形几何学并非20世纪数学的直接“应用”。它是数学危机的一个晚产的新领域 ,这个危机从雷蒙德(duBois Reymond)1875首次报告外尔斯特拉斯构造的处处连续而不可微 函数就已开始了。这次危机大约延续到1925年,主要的演员是康托尔、皮亚诺、勒贝格和 豪斯多夫(Flix Hausdorff,1868-1942)。这些天才们的工作的影响,远远超出了原定的范围 。他们及其几代后继者都不知道,在他们那些十分返朴归真的创造后面,有着一个趣味盎然 的世界。? 〖BT2〗海岸线:最容易说明的分形〖HT〗? 巴塞罗斯(Anthony Barcellos)采访芒德勃罗时问他:“分形实例中你最喜欢哪一个?”芒氏 脱口而出:“当然是海岸线例子”。??[4]?随即他又补充说还有“血管分形结构”以 及“自平方龙”(复迭代中的一个例子)等例子。他风趣地讲,实际上他不知道最喜欢哪一个 ,所有那些分形模型都好比他的孩子,他都喜欢,作为父亲因为所有孩子而骄傲,所有孩子 都为这个分形之家添了光彩。“一个人可以因为不同的理由爱不同的孩子,但他不可能有真 正绝对的偏爱。”? 不管怎么说,海岸线例子还是最容易说清楚的分形实例,芒氏到处演讲,也总是提起它,在 两部专著中也把海岸线问题放在前头讲述。? 1967年芒氏在美国的《科学》杂志上发表长度为两页多一点的报告《英国海岸线有多长?统 计自相似与分数维》,??[23]?列出分维公式?D=-?log?N/?log?r(N),说明海 岸线是一种无标度对象,用不同刻度的“尺子”去测量此类现象,可以得到完全不同的长度 结果。实际上可以说海岸线有任意长度、无穷长度(当然从物理上看,无标度区间总有一个 下限,在原子层次就不能再谈“海岸线”问题了)。?这时候“长度”就不是一个特别合适 的物理量了,它显得有点不“客观”,而分维?D?则是一个很好的特征量。? 实际上关于海岸线长度测量悖论,在芒氏之前英国著名气象学家里查逊(Lewis Fry Richard son,1881-1953)、波兰著名数学家斯坦因豪斯(H.Steinhaus,1887-1972)和法国著名实验物 理学家、诺贝尔奖获得者佩兰(Jean?Baptiste Perrin,1870-1942)等都有过精彩论述。芒 氏当时似乎只注意到前两人,后来才发现后者有一长串精辟阐述(在1977年、1982年的专著 中芒氏大段引述了佩兰的话)。在《科学》杂志上的这篇文章中,芒氏根据里查逊的数据绘 制了6条海岸线的“双对数图”,展示了存在6条直线(只有一条略弯曲),这些直线的斜率就 代表海岸线的分维值。? 这篇文章的第二张图示意了如何用几种“生成元”导出不可求长的(nonrectifiable)的自相 似曲线。后来芒氏用柯赫曲线来说明海岸线问题。80年代后,生成元与L系统理论和计算机 图形学结合起来,引起不小的热潮。? 从这个实例可以看出,分形几何非常直观、简单,比现在任何一种数学都简单几百倍,似乎 没什么了不起。但第一个吃螃蟹的人不容易,第二、第三个吃者也不简单。对于分形几何学 中相当多内容,即使芒氏也不是第一个吃螃蟹的人,但他使吃螃蟹成为了时尚。他做的许多 贡献都是这种性质的,他最终将毫无头绪的“杂多”综合在一起,创立了分形科学。? 〖BT2〗贯穿始终的一条线索〖HT〗? 除了创立分形几何学这样一个总的题目,芒氏的主要科学成就具体说来主要包括什么?如果 去掉“主要”两字,罗列一长串也就齐了,但是限制列出几项,考虑起来可不容易。有些现 在看起来重要,可能不久后随着科学的发展又不算什么了,有的现在一般般,但也许以后会 变得重要。无论怎样,作者还是根据自己的粗浅理解初步列出几项:? 1)发现莱维(Paul L?e??vy,1886-1971)稳定分布的重要性,并应用于经济学、布朗运动 、星系分布等领域;? 2)用自相似观点研究噪声与湍流的阵发过程;? 3)[重新]发现?M?集合,推动了复迭代的复兴和计算机图形学的发展;? 4)在前人基础上扩展了维数概念,并使各领域科学家广泛理解;? 5)提出“分形”概念和“多分形”(multifractal,也译作“多重分形”、“多标度分形”) 思想,为不规则现象、临界现象研究树立了一面新的旗帜;? 6)促进了科学的统一和数学的普及,有力推动了科学与艺术的结合。? 在一般人看来,芒德勃罗的最主要贡献是发明了一种新的几何学。但是仔细研究他曲折的学 术生涯会发现,他首先进入的并不是基础数理科学,而是“工程技术”(做广义的理解)。他 在工程技术中(或者用中国话来说,在生产实践中)发现问题,总结出带有规律性的东西,进 而将它们上升为一般理论,最终创立“分形几何学”。这与当前物理学家、数学家改行的顺 序似乎正好相反,现在通常是由基础数理科学转向经济学、社会学和哲学等。? 直到最近人们对芒氏的理解还局限于确定论范式,90年代以后才有一些人注意到芒氏那里还 有随机论范式,并且在芒氏那里两者本来是有机地结合在一起的。? 芒氏本人曾明确说过,如果将来写关于分形方面的专著或者教科书,倒是可以直接从随机变 量、随机函数讲起,而他之所以没有这么做,主要是考虑:首次进入能够极大地吸引读者的 话题,应让读者立即产生几何直觉。无论是研究词频分布、通讯系统的噪声、价格变化,还 是布朗运动、湍流、星系结构,芒氏都用了“自相似”这一貌似简单的思想。他的思路这这 样的:?? 〖GK2!〗〖HTF〗 自相似性≡尺度变换下的一种对称性→双曲分布→非高斯稳定分布→巧妙利用了方差为无穷 的“病态”性质→莱维飞行→各种应用(海岸线、皮亚诺曲线、门格尔/谢尔宾斯基海绵等) →分维测度→分形几何→自相似性→……〖HK〗〖HT〗?? 芒德勃罗曾说:“与分形关系最紧密的是双曲概率分布”(见《大自然的分形几何学》第38 章)。他最早接触的词频分布与收入分布研究,都涉及这一主题。在我们分析的上述方案中 ,特别突出了目前一般分形著作不太重视的“非高斯稳定随机过程”。? 芒德勃罗从事的第一个科研实践(实际上仍然理论气十足)是研究通讯中的噪声和词频的分布 ,后来是河水的涨落以及经济学中的收入分布规律。这几项似乎一点不搭边,但它们都指向 一个不变的东西,这个线索如此重要,以至不理解它就无法理解芒德勃罗一生工作的统一性 。这个线索沟通了自然科学中长期存在的确定论描述体系与随机论描述体系,这个线索帮助 人们理解宣言书《大自然的分形几何学》中各个部分之间的内在联系。这个线索的潜在价值 远未开发完毕,它正在成为众多新学科的生长点:如最近对分数布朗运动(FBM)的兴趣,对 莱维飞行(L?e??vy flights)的重新关注,对非高斯稳定随机过程的新认识等等。? 那么这个线索是什么呢?就是从他的老师莱维那里学来的“莱维稳定分布”(L?e??vy?s stable distributions)。莱维是概率论少有的几位著名的奠基人之一,虽然现在的学生几 乎不知道这个伟大人物了。当年在法国综合工科学校,莱维教过芒德勃罗,芒氏师从莱维学 习基本的数学分析。后来有人问芒氏是否是莱维的学生。芒氏的回答很有趣:“不,许多人 后来都声称是莱维的学生,但莱维特别否认他有什么学生”。芒氏讲的“学生”(student) 换成“弟子”(disciple)大概更恰当些。 ? 芒德勃罗大约在1960年左右真正意识到非高斯型稳定分布的意义,从此他坚定信念,不为外 界各种反对、批评所动,连续将这种思想应用于经济学、流体力学以及天文学。? 在概率论基础奠定之前,钟型误差分布定律就已广为人知,这种分布具有各种想象得出的好 性质,所以被冠以“正态分布”,也称高斯正态分布。言外之意,不满足这些性质的分布都 不是标准的——也许多少有些“变态”。特别是本世纪初对布朗运动的大量研究,更加深了 人们对这种完美分布的向往。维纳(Norbert Wiener,1894-1964)成功地发展了一套关于布朗 运动的漂亮数学理论。如今人们称布朗运动往往有两种含义,一种指物理上实在的微粒运动 导致的宏观过程,另一种则指维纳的那些纯粹数学。实际上维纳在研究布朗运动随机过程时 所用到的分布只是高斯正态分布。? 数理科学中个别案例使用正态分布导致了空前成功,直接诱导人们将它推广到一切物理现象 ,最终必然影响到社会科学界。在相当长时间里(甚至到现在仍然如此),数理统计工作者言 必称正态分布,在相当程度上正态分布是唯一有用、方便的工具。然而芒德勃罗发现这种流 行观念是错误的。? 〖BT2〗经济学中的“稳定分布”〖HT〗? 现在查到芒德勃罗一共发表18篇经济学论文(也许会有几篇的出入),主要涉及《经济学季刊 》、《政治经济学杂志》、《计量经济学》、《商业杂志》、《国际经济评论》、《交叉科 学评论》、《运筹学研究》、《经济学与统计学评论》、《经济与社会测度年刊》、《应用 经济学》等,发表时间集中在1959年至1973年。综观芒氏的论文和专著,他只关心一个核心 的经济问题——收入分布以及与之有关的价格问题。据他人本讲,他对经济学中的帕累托(V ilfredo Pareto,1848-1923)分布的研究从1957年在哥伦比亚大学和康奈尔大学的时期就开 始了,然后在法国里尔大学和综合工科学校继续了这项工作。1973年以后他义无返顾地离开 了经济学,专心发展“分形几何学”。与在其他学科一样,经济学界并没有轻易接受他的非 正统观点,但芒德勃罗已经得到自己想得到的东西,他并不在乎经济学界当时能否承认他。 ? 米罗夫基(Philip Mirowski)1995年评论说,芒德勃罗的经济学研究在经济学团体内引起过 两次巨大风波,一次是在60年代末,一次是在80年代末。第一次是因为芒氏的观点攻击了当 时占支配地位的计量经济学和资产定价理论,第二次是因为芒氏在非线性动力学运动中出尽 风头,经济学家受“浑沌”(chaos)的影响,间接评论了芒氏的早期研究工作。两次反响的主 流都是怀疑芒氏的理论和方法,既使有一些人受芒氏论文的激励,转而注意自己未曾考虑的 方面,也不相信芒氏的理论。? 芒德勃罗最早关注经济学问题是从关于收入分配的帕累托定律(Pareto?s law)开始的,这 个定律的形式颇像他在语言学词频分布中注意到的齐普夫定律( George Kingsley Zipf?s law)。意大利经济学家帕累托曾专门分析过收入分布数据,他发现收入分布具有如下特点: ? ??N=N?0x??-b?,?? ? 其中?N?0是总人口数,x是收呻水平,N是收入不低于x的人口数,b为参数。芒德勃罗后 来将指数b解释为分维数D?。这个公式的含义是,收入水平越高,则收入高于这一水平的人 口越少。现在甚至不清楚帕累托是否用最小二乘法或者别的统计程序实际导出过这个公式, 他当时认定收入分布对于人为干预是不变的。用概率的观点表示,此定律的形式为:? ?? 1-F(u)=?Pr?(U(t)>u)~(u/u?*)??-α?~Cu??-α?,??? 其中?α?称帕累托指数,一般介于(1,2)之间,有时也可以达到(4,5)之间。此式与上面 的公式是等价的。芒德勃罗也称?P(u)=?Pr?(U>u)=Fu??-D??类型的分布为双曲分布 (hyperbolic distributions)。? 直到芒德勃罗1960年左右开始将帕累托分布重新用于经济学,此分布在经济学界几乎没什么 影响。他的论文《帕累托?莱维定律与收入分布》、《稳定帕累托随机函数与收入的乘差分 》、《某些推断价格的差分》、《帕累托分布与收入最大化》、《统计经济学的新方法》等 发表后,经济学界不以为然。正统经济学家认为数据拟合得并不佳,并且认为芒氏的理论需 要微观证据。? 芒德勃罗看重的不是数据拟合到何种程度,而是收入分布的长时尾(fat tails)现象在尺度 变换下具有不变性,即个人收入分布、厂商尺度的收入分布和城市尺度的收入分布都具有这 样的“尾巴”。“长时尾”现象暗示存在一种非高斯意义上的稳定分布。芒德勃罗熟悉他老 师莱维的工作,立即将它与莱维的“稳定分布”联系起来。? 简单说来,稳定分布的含义是,多个独立同分布随机变量序列经过适当的线性总和(linear aggregation)后,其分布仍然保持不变。稳定分布是无穷可分的,对应于稳定分布的随机过 程是稳定过程。稳定分布是比正态分布更广泛的一类分布,其中包含了正态分布。标准正态 分布与正态分布都是稳定分布,柯西分布也是一种稳定分布,除此之外还有没有别的重要的 稳定分布呢?这正是芒德勃罗急于思考的。实际上他的老师们已经解决了这个问题,莱维和 弗雷歇(Maurice?Ren?e?? Fr?e??chet,1878-1973)细致地研究过类似问题,指出负 幂律分布就是一种重要的稳定分布(其中指数满足关系?0<b<2?)。芒氏1961年的文章《 稳定帕累托随机函数与收入的乘差分》就是献给综合工科学校的莱维教授的,而1962年的文 章《帕累托分布与收入最大化》则是献给巴黎大学(Sorbonne)的弗雷歇教授的。在芒氏的文 章中,帕累托分布也称帕累托?莱维分布。? 芒德勃罗的经济模型中具有尺度变换下的“不变性”,他认为这十分关键,仅仅凭这一点就 值得认真研究。他认为负幂律分布是除了高斯正态稳定分布外最简单、最值得考虑的一种稳 定分布。它就像玻意耳(Boyle)的气体模型一样,可能与实际有些差别,但它是一种重要类 型,一种简单的理想情况,只有研究清楚了这种理想情况,才能推而广之从而考虑更复杂的 情形。正如我们不能说理想气体(perfect gas)模型没有价值一样,也不能说帕累托?莱维 分布过于理想化而没有实用价值一样。从这种意义上看,经济学界对他的反驳其实均不构成 威胁。芒德勃罗是从逻辑分类的角度、从数学可能性的角度思考问题的,其模型撇开经验事 实仍然具有理论价值。实际上1963年洛仑兹(Edward Lorenz,1917- )的《确定性非周期流》 一文(在非线性科学史上具有重要地位)也具有此性质,洛仑兹方程只是大气运动的一种极度 的理论抽象和简化,它甚至可以与实际的大气运动无关,但仍然具有重要理论意义和间接的 实际意义。也正因为如此,芒德勃罗与洛仑兹的理想模型的应用也就不限于什么经济学或者 气象学,而具有普遍性,可以扩展到相当多的学科。芒德勃罗实际上也是这样做的,他不久 后就将莱维稳定过程用于湍流研究,特别强调了“莱维飞行”,现在看来他的确是先行者, 历史将公正地记录下他的先驱性工作。? 以棉花价格波动为例来讲,芒德勃罗的理论的特点在于,它不是考虑在某一个特定层次产生 价格变动的规律,而是跨越层次,寻求尺度变换下的不变性。棉花价格是一种理想的数据源 ,经济学家对其变动的传统看法是,短期变化与长期变化没有关联,由快涨落导致的瞬间价 格变化是随机的,而长期的价格波动是由于显然的宏观经济形势和战争之类重要事件决定的 。因此传统经济学处理此问题的办法是,在确定性的过程中加上随机的噪声。芒德勃罗却把 不同层次统一起来,发现日变化曲线与月变化曲线的一致性。对于股票价格,他也作了类似 的分析。这未必是最好的理论方法,但至少是一种可能的理论方法,而以前人们确实忽视了 它。但经济学界由于长期习惯于自己那一套思路,对芒氏的做法自然有反感,攻击他的最好 办法就是指出其曲线拟合不理想。? 在研究股票价格变化时,芒氏极力反对“价格连续变化”的模型,认为这种照搬牛顿力学于 经济学不济于事。在经济系统中,小的连续变化可以引起突然的不连续变化。基于这种考虑 他否定了滤波预测方案和各种人为凑出高斯分布的办法。在经济学研究中他提出了标度原理 (scaling principle)。? 设?X(t)为价格,?log?X(t)是独立增量过程,即?log?X(t+d)-?log?X(t)具有独立于 d的分布,其中只需引入一个标度因子。芒氏立即想用此模型得出一些有意义的结果,但首 先要面对的是这种模型的奇怪性质(实际上这竟是他所期望的)。芒氏大胆地假设?log?X(t +d)-?log?X(t)具有“无穷方差”!他第一次用符号V表示方差。以前人们想当然地假设方 差是有限量,发散的情况根本不予考虑,也不应该考虑。用芒氏语言讲,人们似乎患了“无 穷方差综合症”。具有反叛色彩的芒氏假定V=∞自有他的考虑:“不用说,假定V=∞的成功 后果是,我就很容易使曲线具有无穷长度、曲面具有无穷面积。”(第37章)于是后来提到的 “英国海岸线长度”、皮亚诺曲线填充、柯赫雪花曲线长度等问题都有了理论基础,当然其 他思想渊源也曾帮助他得到了那些结果。但作者认为,海岸线问题是后来的事。那时他已经 有了基本结论,他不断翻阅数学“故纸堆”,也不断发现一些阐述得更佳的论述,但这些新 发现的材料当初对于他形成基本的分形思想并未产生影响。在撰写专著时,他当然要重新规 划,以一种更直接、更通俗、更符合逻辑顺序(发现过程并不符合通常的逻辑)的方式叙述出 来,甚至更多的是考虑读者的反应。?? 到了80年代经济学界受非线性动力学的影响不得不对芒氏的早期研究作出评价,在此之前 克拉克(P.Clark)的博士论文以及后来的自回归条件异方差(ARCH)、广义自回归条件异方差( GARCH)模型回避了芒德勃罗开创的路线,仍然假设噪声服从于一种基本的高斯分布,但有一 个变化的二阶矩。他们的文章引用了芒氏的假设,但设法避免那类假设。但这种处理方法仍 然没有逃出分数阶自回归滑动平均(ARIMA)的套路。到后来,许多经济学家更多地采用GP关 联积分算法(Grassberger?Procaccia两人提出的)求时间序列的分维数,用BDS统计(Brock ?Dechert?Scheinkman三人在关联积分的基础上发明的)检查经济系统中是否存在非线性结 构。但是正如米诺夫基指出的,经济学界的这些人物并没有认真吸收芒德勃罗的思想,而是 应付、回避矛盾,他们既排斥莱维稳定分布也排斥浑沌。芒德勃罗早已摒弃了“不是决定论 就是随机论”的两极化选择,他认为经济现象比较复杂,应当用更精致的随机过程或者浑沌 动力学描述,应当放弃牛顿经典力学的套路,由原子运动推出一切。本质上在经济学问题上 芒德勃罗采用的是一种类似统计物理/热力学的现象学的方法,这一性质还未被经济学界深 入理解。? 当芒德勃罗离开经济学时,他得到了什么?他似乎高兴地带走了价格变动的自相似观点、标 度律的观点,以及一种似乎无人注意但有着各种潜在应用价值的“莱维稳定分布”。 〖BT2〗布朗运动与莱维飞行〖HT〗? 1785年荷兰医生英根豪茨(Jan Ingenhausz,1730-1799)首次报告了布朗运动,他发现花粉 颗粒在酒精溶液表面运动。但这种现象被冠以布朗(Robert Brown,1773-1858)这个名字。布 朗1828年发表了他的更细致的观察和研究。这种现象直到1905年,才由伟大的爱因斯坦(Alb ert Einstein,1879-1955)用分子运动论一举阐述清楚,布朗运动是由于流体分子热运动不 断撞击微小颗粒造成的宏观现象。? 实际上1900年在法国,庞加莱的一个名叫巴歇列(Louis Bachelier,1870-1946)的学生, 在其论文中就已经发展了一种布朗运动理论,只因为他的论文是关于股票市场涨落问题的, 未引起物理学家的注意。巴歇利引入了今日称作查普曼?柯尔莫哥洛夫链的方程,并导出了 随机过程的扩散方程,指出概率可以像热一样扩散。由于巴歇利的论文不为数理学界所知, 它对后来布朗运动的物理学没有产生直接影响。巴歇利研究的经济问题中没有摩擦、没有斯 托克斯定律,也没有阿弗伽德罗(Amedeo Avogadro,1776-1856)常数。芒德勃罗在1977年出 版的专著《分形:形、机遇与维数》中,特别以很多的篇幅描述了巴歇利的简历和研究成就 ,虽说芒德勃罗极擅长从旧纸堆中挖掘一些没有注意的“古怪”东西,但用如此长的篇幅还 不多见。? 爱因斯坦的著名论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》1905年发表在《 物理学杂志》。??[31]?爱因斯坦预测,布朗粒子随机行走(random walk)均方位移( mean squared displacement)随时间线性增长,乘以一个与阿佛加得罗常数有关的因子:? λ?x= 2Dt ,用现在的符号表示则有〈x?2(t)〉=2Dt?。1908年这一结果立即被 佩兰用来测定阿佛加德罗常数,进而为“原子”的存在性提供了重要证据。佩兰1926年荣获 诺贝尔物理学奖。从那时起,布朗运动成为重要的研究对象。? 但是问题并没有彻底解决,或者说研究才刚刚开始。从数学上看,布朗运动涉及许多艰深的 内容。对于离散布朗轨迹,可以在固定步长的格子上研究简单的随机行走,但对于连续情形 却遇到了严重的困难:布朗粒子运动路径处处不可微,粒子的速度无法定义。这时已有了勒 贝格的测度理论,而又恰好出现了一个伟大的人物——维纳,他抓住这个时机(大约于1921 年),利用测度理论,发展了一整套漂亮的随机过程理论,后来称之为维纳过程或者布朗运 动。芒德勃罗早就把布朗运动视为分形的一个典型,并将布朗运动轨迹视为二维分形。? 维纳开创的布朗运动数学,已成为概率论的一个经典范式(paradigm)。后来柯尔莫哥洛夫 (A.N.Kolmogorov,1903-1987)于1931年奠定了概率论的基础,日本学者伊藤清(It?o??) 又发展了维纳的理论,提出随机积分等概念。? 1968年芒氏与尼斯(J.W.van Ness)合作发表了一篇重要论文《分数布朗运动、分数噪声及应 用》,1969年与瓦利斯(J.R.Wallis)合作发表论文《带有分数高斯噪声的计算机实验》,19 71年发表论文《一种快速的分数高斯噪声发生器》等。实际上芒氏所使用的若干新工具、新 方法,早在这之前他就十分熟悉了,已经在通讯工程和经济学领域部分尝试过。? 芒氏1968年的文章通过引入了“记忆”推广了布朗运动,分形布朗运动的概率分布为? ?? p(x,t)= 1 2πσ?2(t) ?exp? -x?2 ??? 其中?σ?2(t)=t??2H?,H的取值范围一般限制在(1,1/2)之间。当H=1/2时,正好对应 于布朗运动。这一推广意味着随机行走的均方位移随t??2H?而增加。当H较小时扩散较慢 ,当H较大时扩散较快。在湍流中H可以取非常大的值。? 如果随机行走发生在分形体上(如逾渗(?percolation?)格子),则运动行为不同于一般的 布朗运动,运动由于空间背景的不同可以时快时慢,表现出不均匀跳跃。H的取值可以分成 两类,当H小于1/2时,均方根位移慢于线性增长,当H大于1/2时,均方根位移快于线性增长 。其中后者非常有趣,涉及著名的“莱维飞行”。?? 布朗运动的基本思想是随机行走,所使用的基本数学是高斯正态分布,随机行走者?t时间 后的位置分布是高斯型的,方差正比于时间。对于一维的N步随机行走,每一步的步长x是一 随机变量,其概率分布为p(x),具有0均值。法国数学家莱维提出这样的问题:什么时候N 步的总和的分布仍然具有与单步相似的(乘以一个标度因子)分布?这等于问,整体与部分何 时有相似性,因而很自然与分形有关。对此问题通常的想当然的回答是高斯过程,因为N步 高斯分布加起来仍然是高斯分布。但是莱维一般地证明了,此问题还有其他解。?? 早在1853年柯西(Augustin?Louis Cauchy,1789-1857)就认识到对于?N?步可加(也叫稳定 )随机过程,除了高斯分布作为其显然解外,还存在其他可能的解。当把?x?实空间变换为 傅里叶(Jean?Baptiste?Joseph Fourier,1768-1830)?k?空间时,可加过程的可能概率 分布为??[18]?? ?? ?N(k)=?exp?(-N|k|?β).??? 当?β等于1时,便得到柯西分布,β等于2时对应于高斯分布。如今上式称为莱维概率分布 。? 应当说明的是,广义的莱维稳定过程(s?D?1+s?D?2=s?D,s?1X?1+s?2X?2=sX+常 数),仅对三种极特殊的情况,可以解析地求出稳定概率分布。当x的绝对值很大时,返回到 实x空间,p(x)可以用|x|??-1-β?来近似。当β小于2时,显然p(x)?的二阶矩无穷大 。这意味着除了在高斯情形中,随机行走(飞行)没有特征尺度。正是这一性质决定此类随机 行走是标度不变的分形。这种随机行走好的性质在于自相似;坏的性质在于具有无穷矩(inf inite moments),于是均方位移发散。? 矩发散长期以来被认为是一个致命缺点,物理学家不愿意看到发散性。只是由于芒德勃罗的 大力鼓吹,莱维的思想才一点一点被物理学界所理解,90年代中期“莱维飞行”成了时髦的 研究课题。在早些时候,在鼓吹、传播莱维不变分布方面,芒德勃罗当然是唯一的代表人物 ,这一点应特别提及。? 莱维飞行的轨线是典型的分形,虽然不是处处不可微,但跳跃的步长可以变化。经过一番处 理,均方位移的发散性可以回避掉。特别地,一个随机变量?X?具有无穷方差,并不能否 定?X?以概率1取有限值。例如柯西密度?1/[π(1+x?2)]?变量几乎总是有限的,但它 具有无穷方差和无穷期望。莱维飞行的宏观轨迹是一系列折线或者孤立的康托尔尘埃点集。 一般情况下不考虑粒子在两个端点之间飞行的中间过程,如果考虑两次跳跃之间具有某种速 度,这种过程又叫作莱维行走(L?e??vy walk)。人们可以问在不同的飞行片段中,在时 间?t?粒子的飞行速度是多少,这一定是某个与时间有关的有限值。但是平均飞跃状况是 发散的。 ? 从1977年的《分形》一书可以看出,芒德勃罗已经自如地将“莱维飞行”运用于各种场合, 包括布朗运动、分形集团和星际物质分布,并且给出占7页篇幅的图形说明。遗憾的是,科 学界直到90年代才认识到这部分工作的重要性。? 〖BT2〗阵发湍流〖HT〗? 芒德勃罗关于流体湍流问题的研究始于对经济学的研究之后,1963年秋季他在哈佛大学听了 斯图尔特(Robert Stewart)的一次讲座,了解到流体力学研究中讨论阵发(间歇)(intermitt ency)现象,同时知道了苏联学派关于湍流研究的一些最新结果,如柯尔莫哥洛夫1941年与19 61-1962年两个阶段的创造性工作。芒德勃罗立即有一种冲动:试图转向湍流研究。他觉得 这些观念对于自己并不算新鲜事,大约10年前自己在研究通讯噪声时,就碰到过类似的现象 。他认为湍流中的许多问题与分形有关(当时还没有“分形”这个概念)。他迫不急待地想把 自己在其他领域做的工作“翻译”成流体力学的语言。? 众所周知,湍流是困扰科学家百年之久的老大难问题。流体运动显然满足纳维叶?斯托克斯 (Navier?Stokes)方程,但这无济于事,这个方程根本无法求解。多少年来人们从解析的角 度做了各种努力,均未获重大进展。芒德勃罗则是从几何形状入手的,他声称自己不断观察 关于湍流的绘画、照片,考察湍流的速度记录,甚至倾听湍流(将数据转化成音频信号),还 用功率谱等手段测量湍流,以获得基本的几何直觉。利用自己对其他奇异性问题研究的经验 ,他形成了一些猜想,但并不能证明它们。直到1967年他才发表关于湍流的文章《偶发湍流 》(Sporadic turbulence),1968年发表《论阵发自由湍流》(On intermittent free turbu lence),1972年发表《有关阵发湍流能量耗散的对数正则假设的可能细化》,1974年发表《 自相似级联阵发湍流、高阶矩的发散性与载体的维数》,1975年发表《论各向同性湍流》, 1976年发表《阵发湍流与分维》,1977年发表《分形与湍流:吸引子与弥散》等。? 芒德勃罗对湍流的研究不是从基本方程入手进行严格数学分析,而是从宏观上、从几何角度 观察,先获得几何直觉,构造核心概念,再一层一层作定性分析。这一思路是“将自相似技 术应用于湍流的几何学”。芒氏明显地受柯尔莫哥洛夫1941年文章风格的影响,他说:“方 程(指欧拉方程和纳维叶?斯托克斯方程)并没有帮助我们理解柯尔莫哥洛夫,同时柯尔莫哥 洛夫也没有帮助我们解方程。”? 芒氏首先从湍流级联(cascade,也译级串)中的自相似出发,在这方面著名气象学家里查逊 仍然走在前面。1926年里查逊就引入了与级联有关的旋涡等级层次(hierarchy of eddies) 的概念。1941年哥尔莫哥洛夫、奥布科夫(A.M.Obukhov)、翁萨格(Onsager)和魏扎克(von W eiz?a??cker)沿此路线作出重大贡献,不过一般情况下这一组研究只冠以柯尔莫哥洛夫 的名字。? 芒氏作出“湍流运动的奇异性本质上是分形”的重要猜想。从其它方程导出的已知的奇异性 不足够以解释直观上我们看到的湍流的特征,于是他猜测:基本方程的湍流解,一定牵涉到 新的类型的奇异性,并且可能就是分形。特别地,他说:“纳维叶?斯托克斯方程的解如果 存在,就是事实上的极限分形。”他进而猜想,欧拉方程解的奇异性,也是实际上的分形。 这样一来他发展的分维概念就有了用武之地。直观上看,纳维?斯托克斯方程的解要比欧拉 方程的解光滑些、少些奇异性,于是可以猜测欧拉方程的解的维数比较大一些。芒氏承认, 证明这些猜想,都远远超出了他的解析能力。实际上对于微分方程也是如此,以前人们只知 道不动点、极限环和极限环面(torus),经过浑沌的洗礼,才知道还有另一种非周期定态运 动。当时芒德勃罗直觉上猜测流体方程应当具有新的奇异性,的确是一个创见。? 在研究湍流阵发现象时,他贯彻了“自相似教义”,提出了一个有趣的新概念“乳凝”(cur dling),与它对应的一个词是“乳清”(whey)。“乳凝”和“乳清”随机地混合在一起,构 成复杂的结构,类似于康托尔集合、谢尔宾斯基海绵。芒氏特别强调,对“乳凝”这个词不 要作字面上的理解,但是考虑到“乳凝”外面的空间包围着“乳清”,倒是有助于理解问题 。芒氏形成这样的概念,大概受到诺维克夫(E.A.Novikov)和斯图尔特(R.W.Stewart)1964年 论文《湍流的阵发性与能量耗散涨落的谱》(原文为俄文)的影响,也受到霍伊耳(F.Hoyle)1 953年和1975年关于星系团等级层次模型的影响。? 芒氏解释说,诺维克夫与斯图尔特合写的文章的核心假设是,阵发性是由级联导致的,在每 一阶段能量都从一个旋涡(eddy)“集中”或者“乳凝”(作动词用)到?N?个次级子旋涡(su beddies),旋涡的比例为?r,于是有如下分维公式D=?log?N/?log?(1/r)?。对于宇宙 学D一般小于2,但对于流体湍流D大于2。在1977年的专著《分形》中,芒氏用四页插图表现 “随机乳凝”(random curdling)结构,用以形象地说明流体湍流耗散的一般过程。? 经过?m次级联耗散后,能量均匀分布在第m层次的γ??mD?个子涡旋上。在三维空间上 一共有γ??3m??个子涡旋。当级联无限进行下去时,耗散的极限分布均匀地散布在一个 维数小于3的分形“乳凝”(作名词用)上。芒德勃罗将这种湍流称为“分形各向同性湍流”( fractally homogeneous turbulence)。? 利用这种思想芒氏于1976年将柯尔莫哥洛夫的5/3指数改写为?5/3+B,其中B=(3-D)/3?。 ? 芒氏特别研究了乳凝与乳清的结构关系,这时他用到了物理学中非常重要的概念——逾渗和 逾渗壶(percolator)。逾渗壶就是一组自相似的集团(cluster),而集团是由联通的乳凝组 成的。芒氏1974年将简单的乳凝(?1/r和N?都取整数的情况)分解过程称为正则乳凝(canon ical curdling),后来又考虑令?N可以随机变化,对应于每一层次有一个随机数U,再规定 一个概率阈值p,当U大于p时子旋涡湮灭成为乳清,当U小于p时子旋涡存活为乳凝。当p小于 1/r?3时,所有过程都死掉,于是D为0,对于其他情况有非零概率,过程收敛到一个维数为 D=3-?log?p/?log?r的分形上。此模型的好处在于D?可以在0和3之间变化。? 法国尼斯天文台的弗里茨(Uriel Frisch)教授1995年在专著《湍流:柯尔莫哥洛夫的遗产》 中高度评价了芒德勃罗关于阵发湍流的思想,实际上弗氏是较早就认识到芒氏思想重要性的 少数人之一。1974年克莱茨南(R.H.Kraichnan)纠正了随机级联模型的一个概念错误,用速 度增量和能量流这些惯性物理量代替了耗散量,使得诺维克夫?斯图尔特模型发展为?β? 模型。弗里茨在?β?模型中讲述了芒氏的自相似级联思想。结合柯尔莫哥洛夫1941年的论 文,可以导出速度关系? ??v?l~v?0 l/l?0 ?? 1 - 3-D ?.??? 芒德勃罗、弗里茨、帕里西(Giorgio Parisi,罗马大学)等提出的“多[重]分形”概念对 于阵发湍流研究具有重要意义,但是多分形模型的现象学表示有两个缺点:第一,它假定存 在奇异性,第二,它没有区分正负速度增量。弗里茨从概率的观点重构了多分形模型,克服 了这两个缺点。概率意义上的多分形标度性,并不要求在个体层次上实现任何分形结构。从 这个意义上看,湍流的分形或者多分形描述更多地体现着概率含义,离精细尺度的几何特征 则越来越远,虽然起初是从几何入手的。不过,进入90年代中期,达·芬奇(Leonardo da V inci,1452-1519)式的湍流又成为研究的焦点,科学家们开始考虑极细小尺度上(到了柯尔莫 哥洛夫尺度的量级)的非平庸的几何结构,特别关注涡丝(vortex filaments)的形成以及对 于流体动力学和统计特征的影响。? 〖BT2〗对布尔巴基学派的态度〖HT〗? 芒德勃罗一生做了各种各样的研究,涉猎语言学、通讯工程、热力学、经济学、湍流、布朗 运动、复迭代等等,在他的工作中数学与其他学科是自然结合在一起的。如果说他是什么什 么家的话,他首先是“科学博物学家”,因为他善于从科学史中发现有价值的东西,将一些 孤立的、只言片语的深刻洞见联系起来。他的几乎每一样贡献都很容易找到一系列前身,对 此人们有两种不同的看法,一种观点认为芒德勃罗没什么了不起,只不过自己造了“分形” 这个词而已;另一种观点截然相反,认为他的创造是伟大的综合,是任何人所无法替代的, “分形”体现的并不只是一个普通名词,它统摄了科学界各学科呼唤已久的内在声音。无疑 本文作者持后一种见解。? 芒德勃罗以几何方式思考问题,这句话有两方面的含义,一种是他以数学上的几何学方式思 考,另一种则带有若干贬义:以直观的、从形状出发的、不严格的方式思考。对于芒氏,应 该说两方面的含义都有,他本人也不讳言。他常常津津乐道地讲自己以图形的方式思考问题 的好处,当年考巴黎高等师范学校时以几何方式“做弊”就是一例。另外芒氏不止一次公开 反对布尔巴基学派的数学风格。? 布尔巴基(Nicolas Bourbaki)是一群主要来自法国高等师范学校的数学家的笔名。关于这个 名字的来历有多种说法,总之是人为编造出来的。这个学派作为一个集体在20世纪的数学界 可谓影响甚大。此学派的先驱人物主要有三位:康托尔、希尔伯特(David Hilbert,1862-19 43)和诺特(Emmy Noether,1882-1935)。第一位为他们提供了集合论,第二位提供了公理化 方法,第三位则提供了抽象代数。1934年冬天高等师范学校的一伙毕业生商定第二年7月在 一家饭店召开布尔巴基成立大会。成立初期活跃人物主要有:维尔(Andr?e?? Weil,1906 -)、迪多内(Jean Alexandre Dieudonn?e??,1906-),迪尔萨特(Jean Delsarte,1903-)、 卡当(Henri Cartan,1904-)、切瓦利(Claude Chevalley,1909-)等。可以看出他们年纪相差 不多。这些年青人经常聚会,在一起讨论纯粹数学。30年代他们计划撰写一部纯数学专著, 从基本原理出发,按严格逻辑发展进行形式构造。1939年以“布尔巴基”为名的第一部《数 学原理》(?Elements de Mathematique?)出版,一直出版到1980年,产生了很大影响。有 关布尔巴基的详情可以参阅胡作玄编著的《布尔巴基学派的兴衰:现代数学发展的一条主线 》。??[33]? ? 公正地评价,此学派为数学的严格化、体系化、结构化发展作出了重要贡献,该学派中有三 人施瓦兹(Laurent Schwartz,1915- ,是上文提到的概率论大师保罗·莱维的女婿)、谢利( Jean?Pierre Serre,1926- )和格罗申迪克(Abxander Grothendieck,1928- )曾获菲尔兹奖 ,还有两人维尔和卡当荣获沃尔夫奖,这说明其数学成就是举世公认的。? 既使如此,布尔巴基也不是没有缺陷。从当前趋势看,这个学派已光荣地完成了其历史使命 ,已走向衰落。这个学派过分强调逻辑而贬低几何直觉,一直受到一些人士的反对,年青的 芒德勃罗受不了他们那一套,离他们远远的。1985年有人问芒勃罗:“你提到你不喜欢布尔 巴基对待数学的那种反几何的方法。你认为布尔巴基的影响对于接受你的分形方法是否设置 了重要障碍?”芒氏回答说:“1945年当我离开高师的时候的确是这样,另一次是1958年我 离开法国时。在这之后就没有了。他们不能阻止我做我自己的事情。多少年来我的许多听众 深受他的影响,但并不知道他们的存在。”? 芒氏认为布尔巴基试图为数学大厦打下一个基础,但它像浪漫王子梦中的城堡一样,从未完 工,他们的宏篇巨著也远未实现他们声称的目标,并没有成为数学的普适标准。所谓30年河 东30年河西一点不假。在数学界摆锤开始从一个极端摆回到一个更合理的位置。芒氏说:“ 如果我再早一点推出我们分形几何,布尔巴基也许会成为一个重大障碍。但是现在他们最多 能在巴黎开一个研讨会。某种意义上,我或许能从批驳他们的傲慢中获得好处。”? 当分形几何学流行起来时,形势也变得突然,芒德勃罗骄傲地指出:“布尔巴基现任领导人 之一的道阿迪(Adrien Douady,1935- )用了最后的几年时间发展了我所开创的复迭代思想 ,欢迎他总是件好事情。”在80年代初,道阿迪确实“帮”了芒德勃罗一个大忙:他就芒德 勃罗提出的?M?集合的连通性与自己从前的两个学生合作,作了严格的数学分析,得到了 一批深刻的数学结果,直接促进了复迭代深入发展。? 但是这个问题还可以从另一个角度去看。布尔巴基学派起初都来源于朱丽亚(Gaston Julia ,1893-1978,在战争中他的鼻子受伤,从照片上可以看到他鼻部带着一个特制的面具)在高 师办的讨论班,无疑朱丽亚可算作布尔巴基的祖师爷,而复迭代基本上是由朱丽亚开创的。 芒德勃罗只是在70年代末才重新碰到这个问题,大张旗鼓地研究起迭代来,并将它与分形联 系在一起。因些也可以说芒德勃罗皈依了布尔巴基传统。客观的看法也许是,数学的各个分 支是内在联系的,发展总有个先后,物极必返,一种方法、一个问题的流行均有一定的时代 规律性。芒氏与道阿迪两个对立学派都来研究复迭代,说明几何方法与分析方法没有本质的 不同(代数、几何与分析历来是数学的相互统一的三大块),在计算机的帮助下可以走到一起 来,这是本世纪80年代以来出现的盛事。? 在对道阿迪进行表扬的同时,芒德勃罗严厉批评了大数学家迪多内:“布尔巴基的奠基人之 一迪多内,关于数学的意义发表了大量极端错误的言论……。比如他认为皮亚诺曲线是反直 觉的,只有用逻辑才能理解它,用直觉是不可能理解其性质的。这完全错了。今天皮亚诺曲 线被视为完全直观的,因为我的工作使得它如此。我有这样一种感觉,迪多内并没有敌意, 只是有趣。”? 对于布尔巴基的全面评价涉及数学的建设以及数学教育的开展,是个很严肃的话题。最后引 马季芳为《今日数学:随笔十二篇》所写的译后记中的一段话:“美国自50年代末到70年代 初,花了20年功夫大搞‘新数学运动’……不幸,改革的指导思想全部采用布尔巴基学派的 主张,过分强调抽象理论的重要性,排斥一切实际应用,全部新教材中竟没有一道应用题。 结果事与愿违,学生的数学成绩普遍降低。……美国数学界受此打击,痛定思痛……补救之 道,在于数学家不应孤芳自赏,必须面向群众,用生动活泼的语言,讲述本学科的性质、发 展,及其在自然科学和社会科学各方面的广泛应用,借以增进世人对数学的了解和兴趣。” ? 〖BT2〗自我推销〖HT〗? 芒德勃罗始终生活、工作在逆境中,在70年代中期以前,世界上没有几个人知道他,更谈不 上真正理解他了。他几乎是打一枪换一个地方,在不同学科中窜来窜去,哪一个学科似乎也 没有特别注意他。维纳在《人有人的用途》中两次提到他算是个例外,维纳那时搞的“控制 论”(Cybernetics)也是新鲜事物,理解的人也不多。? 芒德勃罗发表了许多论文,但他回忆说,当初发表每一篇都十分艰难。他不断投稿,审稿人 对文章的批评毫不留情面(那时他没有名气),稿件被一次次退回。关于星系结构的论文始终 难以发表,“我关于星系的工作在别人知道它之前是不可接受的,而在它成为可接受的之前 ,人们又不知道它。”发表出来的也做了一些修改,特别是编辑命令他删除“可疑的哲学” (dubious philosophy)部分。? 在写作风格上,芒氏后来坦率地承认,他不得不装成某个领域的内行的样子,在论文中故意 加进一大堆数学公式和推演细节。虽然也不是特别成功,因为他始终带有极强的“异国口音 ”(foreign accent),“但是这种办法对于把我的论文发表在一些好的学术杂志是必要的和 充分的”。? 芒德勃罗把科学界对他的学说的态度分成四个阶段:在第一阶段,人们总是问:你是谁?你 为什么对我们的领域感兴趣?第二阶段则是:这与我们所做的有什么联系?你为什么不用我们 所知道知识来作解释呢?第三个阶段是:你能保证这是标准的数学吗?我们怎么不知道?第四 阶段是:这些领域的数学家怎样评价你的工作?芒氏对后两个问题的回答是:“我能保证这 是标准的数学。只是人们很少知道。他们无所谓,因为我的工作并没有增加什么数学。”? 1964年他参加了在耶路撒冷举行的“逻辑学与科学哲学大会”,在会上作了“尝试性的分形 宣言”(tentative fractal manifesto)的报告,可惜没有正式发表出来。到了70年代初芒 德勃罗手边已经积累了不少发表的和退回的稿子,据说已经堆成了堆(90年代时他不断地抽 出一些略加修改就发表了)。? 芒德勃罗一直在思考着,当今学科分化严重,学科壁垒森严,像他这样东一榔头西一扫帚, 在不同学科进进出出的,很难站稳脚根,别人不会承认自己。如果要生存下去,就不能与正 统对着干。短期策略是,要取得别人的信任,尽量隐藏自己的真正意图,争取多发表一些论 文,审稿人和编辑希望怎样修改,自己就怎样修改。而长期战略是,要学会自我推销,最终 建立自己是“教皇”(Pope)的一块阵地:即创立一个属于自己的新学科。? 1973年芒德勃罗终于找到了一个绝好的机会。这一年他到巴黎去休假,此时他叔叔佐列姆已 经退休,正好可以邀请他在法兰西学院(Coll?e??ge de France)作一场重要的报告。这 对于自己发表一篇一般性宣言以及解释清楚自己多种不同兴趣的内在统一性,是一个黄金时 机。他作了精心准备,在准备过程中他发现自己的整套工作比以前自己所知道的更完备、 更协调了。讲座在1973年1月进行,极其成功,一个朋友告诉他,这是他听到过的最具自传 色彩的科学讲演。芒氏回忆说:“我受到好多赞扬,会上根本没有敌意,这使我认识到我多 年的荒野生涯行将结束了。为了概括我的统一方法,不久我就造了“分形”(fractal)这个 词,并把这次的巴黎演讲的内容扩充为一本法文书,这部书1975年出版,不久后又稍作修改 出了第二版。”? 直到1973-1975年,他才改变了自己的“政治”地位,此前在所有领域他都是局外人,他的 地位和声音都不容许宣布自己的哲学和他的交叉科学方法。1977年的“这本法文书标志着我 从零敲碎打方法到现在的统一方法的转变,不久分形几何学就变得很有组织了。我的生活方 式也深深地发生了变化。你们可以说,我已变成了我的创造物的奴隶。”? 这之后芒德勃罗变得似乎有些狂妄。他写文章和书充满了第一人称,他常用“我宣布”、“ 我认为”、“我发现了”、“我运用了”、“我认定”、“我证明”、“我命名”、“在我 漫游我自己新开创的、新开发的学术领地里,我时常行使对新领域中的路标进行命名的权力 ”。著名科学史家柯恩(I.Bernard Cohen)在《科学革命史》一书中指出,他与自己的学生 以及同事进行了长达15年的调研,发现用“革命”词句描述自己成就的科学家并不多,一共 只发现10多位,他在书中列出了16位,其中芒德勃罗就是第16位。? 无疑,许多人不欣赏他这种文风,所以在他成名后许多人公开反对他也就不奇怪了。? 对于纯粹数学家来说,芒德勃罗并非数学家。在他的成就达到最高峰时,他甚至遭到一些同 事的辱骂。有人认为芒德勃罗关于自己在科学史上的地位的说法简单是神经病,他们说芒德 勃罗向别人述说的贡献,纯系吓唬人,耸人听闻。? 这也难怪,芒氏经过曲折的道路,终于取得社会的承认,他急于让世人欣赏他的成就,急不 可待地希望别人都知道他第一个发现了什么、第一个采用什么方法得到了什么结果。格莱克 (James Gleick)说:“他甚至会写信给一些写了分形方面论文的作者,责问人家为什么不引 用他的文章与他所写的书!”芒氏的一位朋友里希特(P.H.Richter)替他辩解道:“他一生坎 坷,与别的数学家很难相处,为了生存下去,他必须采用这种战略,不断鼓吹他的自我。如 果他不这样做,如果他不这样自信,他就永远不会这样成功。”? 看芒德勃罗的论文和专著,会注意到他大量引用前人的工作,他自己声称善于在数学垃圾筒 和故纸堆中找金子。但一些人并没有因此而表扬他,反而说他经常引用一些名不见经传、多 半已经“安全地”死去了的人物,为的是突出他自己,以使他自己成为学术领域的中心人物 。有人甚至怀着嘲笑的语气说,他只会从一个领域拿来一些东西,当成他自己的,然后贩卖 到另一个领域。有人一面吸收着芒德勃罗的思想,一面尽力避免使用“分形”与“分维”这 样的词汇,故意用“豪斯多夫?贝塞克维奇维数”(Hausdoff?Besicovitch dimension)等 等。当然大多数科学家还是能够充分理解芒德勃罗的,他们考虑芒氏曾克服的重重困难,便 原谅了他的强烈个性。毕竟科学就是科学,看的是科学内容而不是当事人的人品和个性。由 于不喜欢一个人的个性而不喜欢他的实实在在的有价值的科学工作,是不明智的,到头来也 证明是个性偏执的。? 对于芒德勃罗的风格,数学界还有一个反感。纯数学家认为他只是到处宣布一些猜测,而不 是下力气去严格证明它们。发现周期倍分岔普适常数的费根鲍姆(Mitchell Feigenbaum,194 5- )也遇到过这种情况,有位数学家指责他是讲数字呢还是讲严格证明。这是数学家与物 理学家之间的一个老矛盾了,不过现在由于计算机大量用于科学研究,此问题显得更加突出 。如果某人宣布某一事情也许为真,而另一位严格证明它为真,试问哪一位对科学的贡献更 大,谁的工作才算更正的科学发现?这个问题很复杂,不可一概而论。胡适(1891-1962)的格 言也许用得上:“大胆假设,小心求证。”? 〖BT2〗公开争论〖HT〗? 80年代芒德勃罗卷入多种争论,其中影响较大的公开争论有两场。一次是1986年在《今日物 理学》杂志上,一次是1989年在《数学信使》杂志上。每一次都连续刊发了系列评论或信函 。现在重温这些争论对于理解分形、理解芒德勃罗、理解整个现代科学的运行都有价值。? 1986年二月在世界范围享有盛誉的《今日物理学》开办了“参照系”(Reference Frame)这 样一个栏目,首期请芝加哥大学凝聚态物理学家、麦克阿瑟(John D.MacArthur)物理教授卡 丹诺夫(Leo Kadanoff)著文。卡丹诺夫是相变理论、临界现象、非线性系统浑沌行为方面的 专家。他写了一个带有挑战味道的题目《分形:其物理学在哪里?》,开头便写道:“为什 么分形这么多事?《物理评论快报》(?Physical Review Letters?)报怨,每三篇投稿中就 有一篇以某种方式与分形扯到一起。一些大公司的实验室(像施乐和IBM)将其基础研究预算 中相当可观的一部分用于研究分形系统。在过去的一年里,大约有半打学术会议是关于这个 主题的。为什么?”??[20]?? 看得出来,卡丹诺夫来者不善。他接着说:“但首要的是,什么是分形?不同人以不同的方 式使用‘分形’这个词,但都同意分形对象像中国套箱或者俄罗斯套娃娃,包含层层嵌套的 结构。”文章主体部分回顾了扩散置限凝聚(DLA)模型以及分维的计算,接着又开始了发问 。? 他说,不幸的是分维测度并不能有效区分不同的对象,虽然也有人给出分维以外的其他指 标,“但这一领域的未来发展有赖于建立更本质的理论基础,在这个基础上应该能够导出现 象层次的几何形式。如果缺少这样一个基础,就不可能准确地确定什么样问题有可能具有有 趣的答案。人们可以希望,甚至期待,最终要发展出类似威尔逊(Kenneth Wilson,曾获物 理学诺贝尔奖)重正化方法一样的理论基础,来使这一主题漂浮的船舶稳固下来。”“没有 那样的基础,许多分形工作似乎显得肤浅,甚至有些乏味。在各种各样模型的基础上实施计 算机模拟,然后将结果与真实世界的情况对比,这不难,简直太容易了。但是,缺少组织原 则,这一领域就会堕落为有趣物种和简易分类的动物园。尽管这一领域所基于的现象观察十 分美丽和精致,但分形的物理学,无论如何是有待诞生的学科。”??[20]?? 《今日物理学》4月份在“研究与发现”栏目中又刊出记者列维(Barbara G.Levi)写的一篇 报道《新的整体分形形式化(formalism)描述了通向湍流的道路》,??[21]?主要讲了 费根鲍姆发现周期倍化分岔普适常数以及许多人的实验验证,特别提到分形的新的形式化描 述,写下了公式? p?i=l??α?i(l)??,其中l是小的距离,p?i是概率,α?i是标度指数。标度指数取 值有一定的范围,其分布构成奇异性谱,用函数f(α)表示。可以粗略地把f设想为熵。这说 的是多[标度]分形。接下去文章用大量篇幅讲述各种具体研究,以及以α为横坐标、f(α )为纵坐标做出来的曲线图。有关思想来源只在一处简单地提到芒德勃罗的名字。? 芒德勃罗看了这两篇文章大为不悦,给编辑部去了一封信,刊于《今日物理学》9月号,题 目是《多分形与分形》。??[22]?他首先针对卡丹诺夫的提问作了回答:“卡丹诺夫 问‘分形为什么这么多事’,我们看到现在答案部分在于他本人以及他的亲近同伙的工作都 与‘多分形’有关。”芒德勃罗在这封信中特别补充了自己早期关于多分形的贡献。“1968 年我在关于发达湍流的工作中第一个提到了多[重]分形,70年代我发表了有关此问题的大 量论述。”他一口气提到他独立撰写与合作完成的十余种文献,目的只有一个,强调他最先 提出了多[重]分形的思想。全文最刺激的话是:“无论怎样,来自芝加哥的关于(多)分形 的最新研究,令我感受到作为一位父亲的骄傲,也许不久就要当祖父了。”? 不过应当指出“多[重]分形”一词是弗里茨和帕里西命名的,当然他受到了芒德勃罗的影 响(如1974年的文章),后来弗氏又对多分形形式化进行了改进。芒德勃罗也承认这一点。? 芒氏又讲道:“尽管我70年代的论文既难写更难读,但它们包含一些至今没有超越或者没有 重新发现的思想。特别地,我发表在《统计模型与湍流》一书中的论文(1972年,题目为《 阵发湍流中与能量耗散分布有关的对数正则假设的可能细化》)包含多分形测度的有用描述 。”他还让人们注意1980年在哈佛大学时与一伙同事们(如杰芬(Y.Gefan)和阿哈罗尼等)合 作发表的多篇论文。这些同事完全站在芒氏一边,其中阿哈罗尼是芒氏的重要追随者,1989 年10月他与费德在法国专门举办了一次研讨会为芒氏65岁生日祝寿,并组织出版了纪念文集 (见1989年出版的《物理学38D》杂志)。? 在这封信的结尾芒氏写道:“扩散置限凝聚(DLA)及其各个变种确实只是被发现和描述,还 没有完全解释清楚。描述先于理论是科学发展的通常模式。但是,看看在短短不到6年的时 间里已变得彻底可理解的所有硬科学!看看关于逾渗网瀑涨的知识,以及分形形状对物理学 所产生的奇妙的、多样性的影响和修正吧!” 〖BT2〗优先权问题〖HT〗? 芒德勃罗卷入的第二个争论远胜过第一个。这次发难者是早年毕业于圣克鲁兹加州大学、现 任圣路伊斯州华盛顿大学的数学家克兰茨(Steven G.Krantz),他的研究方向是函数论和复 分析的几何方法。此人爱好广泛,后来(1990年)还在同一刊物上发表一篇《数学秩事》,专 门讲述了柏格曼(Stefan Bergman,1898-1977)、贝塞克维奇(Abram S.Besicovitch,1891-19 70)、哥德尔(Kurt G?o??del,1906-1978)、莱弗席兹(Solomon Lefschetz,1884-1972)和 维纳的一些令人发笑的故事。? 好在那些数学家早就去世了,讲述的故事真假死无对证,不过这一次(1989年)他却惹了麻烦 。1988年秋克兰茨想对两本书《分形图象科学》和《分形之美》作一评论,先征得了美国数 学会会刊书评编辑的同意。编辑斯托特(Edgar Lee Stout)很快收到稿子并同意发表。校样 1989年1月中旬出来后克兰茨故意复印了一些让人们传看,特别送给芒德勃罗一份。芒德勃 罗阅毕表示强烈反对,并写了一篇反驳文章。后来数学会怕惹事,建议克兰茨撤回书评稿另 投他处。克兰茨也非常生气,堂堂美国数学会怎么能出尔反尔。最后书评连同芒德勃罗的反 驳一同刊登在很有名的《数学信使》(?The Mathematical Intelligencer?)杂志1989年第 4期上。??[14]?? 克兰茨的书评写得很长,只是稍带评论一下提到的那两部当时影响极大的书,文章的中心是 冲芒德勃罗和分形几何学来的。开篇温和地从公众理解数学谈起,不久就到了关键:“但是 ,目前数学中有一项进展由于其潜在的易理解性,可能使其他数学宣传相形见绌,这就是分 形理论。尽管现在称作分形集合的东西已早被研究了(如在调和分析、几何测度论和奇异性 理论中),但芒德勃罗起了‘分形’这个词,并使之流行起来。”? 接着引用了《分形之美》中芒德勃罗一段得意的、极容易引起反感的话,然后评论说,有人 竟认为分形是自微积分以来最伟大的数学思想。但他认为根本不是这么回事。“像微积分的 创立者们一样,分形几何的奠基人也造就了一批有志于此事业的中坚队伍。他们不会因为缺 乏严格性而受阻,因为他们分享着最近300年来辛勤积累的智慧,即使到目前还没有普遍接 受的‘分形’定义。情况似乎是,他们不证明定理(显然分形几何学家们不证明定理)时,是 不需要定义的。分形几何与微积分的显著差别是,分形几何没有解决任何问题。我不清楚它 是否创造了任何新的东西。”可以看出火药味是颇浓的,而这里见到的还是修改后、语气有 所缓和的稿子。? 克兰茨还特别提到要把目前不适当归于“分形”标题或者大伞之下的真正数学拿走,至少是 划清界线,他认为分形几何学只是一个空架子。他认为像“轮廓使人想起一只狗的头,上部 像尼斯湖的妖怪。在自然界中其分维数?D比欧氏空间维数E?要大0.2到0.3的形状似乎特别 多。典型的海岸线的分维大约是1.2,地形约为2.2,而云彩约为3.3”这类描述根本不像是 科学。“当人们翻开这两本书时,似乎分形几何是一门科学,显然指数学。但是我在两本书 中任何一处看不到一个定理,也几乎没有定义。如前面指出的,对‘分形’一词没有明确的 定义。作为一个数学家,我觉得这不是一个好兆头。”“我不认为芒德勃罗证明了任何定理 作为他的研究结果,不过这也并非他所声称要做的事。用他自己的话,他是一位科学哲学家 。”“芒德勃罗建议分形几何学家也利用计算机作图来提出假设和猜想。但作分形研究的人 提出的假设和猜想是就事论事的,他们产生图形是为了得到更多的图形,而不是为了得到更 深刻的思想。即使这些图形偶然会使熟练的数学家证明出好的定理,这似乎是碰碰运气而已 。”? 克兰茨的书评特别评论了关于复迭代的研究,他故意抬一个贬一个,认为道阿迪和哈伯德(J .H.Hubbard,道阿迪以前的学生)的工作继承了朱丽亚和法图(Pierre Fatou,1978-1979)的 传统,是真正出色的数学。“‘芒德勃罗集(简称?M?集)’并不是由芒德勃罗发明的,很 清楚在“芒德勃罗集”这个词被制造几年之前,文献中就清楚地出现过(指布鲁克斯(Robert Brooks)等人1978年的会议论文,1981年出版)。事实上法图和朱丽亚早就研究了迭代函数 ?z→z?2+c?,如今芒德勃罗至少是由于与这此有关,而得到不少荣誉。”克兰茨还就“ 外尔斯特拉斯?芒德勃罗函数”的命名提出疑问,不过这算不了什么,芒氏也巧妙地作了回 答:实际上作这样称呼的是著名科学家伯瑞(Michael Berry),WM函数具有自仿射性质,而W函 数不具有。? 克兰茨认为虽然道阿迪等对动力系统、迭代函数作了出色研究,“但是这些数学家们不研究 分形,他们证明漂亮的定理。分形几何之所以得到数学界如此高的赞扬,实际上是间接称颂 道阿迪、哈伯德、沙斯顿(Willian Thurston)和其他人的工作。”“我发现麻烦的是,公众 对于当今数学家们正在从事的工作的理解大部分是由于读了关于分形的书,读了格莱克的《 浑沌》(?Chaos?)一书,读了那些包含长期间的猜测和不正确的证明的书籍,来获得的。 ……这两部书造成了可怕的误导。分形理论和浑沌理论还处于襁褓中。现在就讲述它们是否 能篷勃发育为成熟的学科为时尚早。”??[14]?? 克兰茨的文章还挑起了另一个敏感问题:“对分形理论的过分宣传导致了对数学发展的有害 的官方政策。在一些圈子中,得到购买产生分形图形的硬件的经费,比支持研究代数几何来 得容易。代数几何是经得住时间考验的,而分形几何还没有,人们一定会奇怪,是怎样的考 虑导致这样的经费资助决策。我个人的看法是,官僚机构比较容易认同对硬件的投资而不是 对思想的投资。无论怎样,对这种政策造成的长期效果的预测令人沮丧。”。最后的结论是 :“关于它们形成一门新的学科,或者形成自然界中一种新的分析语言这一断言,我想说, 分形理论在这方面所作出的贡献是非本质的。总之,皇帝没有着穿衣。”? 克兰茨的批评十分坦率,有不少也的确击中要害,但总体上似乎过火了,多少有些“红眼病 ”之嫌。我们还是看看芒德勃罗的反应吧。? 他先作了一个有趣的开场白:“看看数学的历史,数学界回到了具有灵活性和多元论的时代 ,每个人都有权力表明他的心情。”之后着重就“芒德勃罗集”的优先权作出了反应,这对 他来说的确很重要,公众(特别是能够上微机作图的人)主要是由芒德勃罗集而知道分形的。 自然扯到布鲁克斯与马蒂尔斯基(J.Peter Matelski)1978年写成1981年发表出来的文章(刊 于一部论文集中)。准确说,虽然芒德勃罗于1979-1980年也研究了二次复迭代,大概也独立 发现了?M?集,但布鲁克斯发现得更早些。论文写成时间一个是1978年,一个是1980年(或 者再早些算1979年);但发表时间正好倒过来了,一个是1981年,一个是1980年。论文集显 然比杂志论文刊出周期长。芒氏不愿承认发现的先后,但又不好正面反驳,于是找到另外几 个理由:1)指出布鲁克斯只给出了?M?集的粗糙版本;2)是芒德勃罗本人大力宣传了?M? 集;3)正是芒德勃罗吃饭的时候花大量时间向道阿迪讲述?M?集,促使道阿迪与其学生哈 伯德暂时放下手头的工作而专心研究?M?集的性质。芒德勃罗指出,他在沙利文(Dennis S ullivan,也是道阿迪以前的学生)的CUNY讨论班上向米尔诺(J.Milnor)和沙斯顿讲述?M?集 时,?M?集还不曾归于任何人的名下。??[14]?? ?M?集合究竟是怎样开始冠以芒德勃罗的名字,现在还不清楚。但这并不是什么了不起的 事情,数学史上张冠李戴的事多着呢。比如:1)计算机辅助几何设计中,利用伯恩斯坦(Ber nstein)多项式可得出工程设计中非常有实用价值的比泽尔(Pierre E.B?e??zier,1910- )曲线,这种算法雪铁龙汽车公司工程师卡斯特乔(de Casteljau)也独立地做了同样的工作 ,只是没有宣传。??[39,40]?2)利用复函数去计算实积分的值,欧拉(L?e??onhard Euler,1707-1783)和拉普拉斯(Pierre?Simmon Laplace,1749-1827)都有优先权。3)在常 微分方程研究中,关于富克斯(Immanuel Lazarus Fuchs,1833-1902)型函数和克莱因(Chri stian Felix Klein,1849-1925)型函数也存在一些争议。庞加莱将克莱因研究过而富克斯 没有研过的那种函数命名为富克斯型函数,遭到克莱因的抗议,于是庞加莱马上将自己新发 现的一种函数命名为克莱因函数,然而克莱因本人从来没有考虑过这种函数!??[41]? ? 芒德勃罗在为自己争优先权时不小心又伤了布鲁克斯,后者1990年在第1期《数学信使》中 反驳了芒氏。布鲁克斯在给编辑的信中说:“至于谁发明了现在称作芒德勃罗集的东西,我 认为应当牢记:大约在20年代法图的头脑中对此就有一幅完整的图象。毫无疑问,如果法图 有机会接触现代计算机的话,他就可能并且已经绘制出马蒂尔斯基、芒德勃罗和我60年后画 出来的完整图形。这么多年来,工作在这一领域的其他许多人也一定能够做到。坦率地说, 生活在计算机革命的时代,我很难自作主张拥有某种荣誉。”? 芒德勃罗曾说:马蒂尔斯基和布鲁克斯只是接近于那种将被证明是特殊的东西,但他们对于 这幅图形并没有理解。布鲁克斯反问道:“我不知道他对我们理解什么或者没有理解什么, 怎样那么有把握!我们特别不喜欢发表带有哲学思辨性质或者半生不熟的方案。要害在于句 子的前半部分。在所有这些大吵大嚷之后,如果芒德勃罗真的相信这个集合有些特殊,那么 他一定言不由衷。正如英国海岸线没什么不同于世界上所有其他海岸线一样,芒德勃罗集也 只是整个奇妙的数学宇宙中的一个(当然既不是第一个也不是最后一个),它反射出自然界与 思维世界中各种类型的美与精巧。”? 在1990年第1期《数学信使》中还刊发了卡丹诺夫对上述讨论的回应,不过他只字未提孰是 孰非,而是补充评论了一下先前提到的两部书,这为它们很有价值,其中的一部他还推荐给 自己的学生阅读。? 另外芒德勃罗还就克兰茨说他是“科学哲学家”进行了辩白,说那只是克兰茨的论断。芒氏 称自己是“实干家”(doer),写的文章也都发表在实实在在的数学、科学和艺术杂志上。很 清楚,在他们的争论中,双方都认定“科学哲学家”只是一些善于夸夸其谈、只知道评论别 人工作的一伙人。实际上呢?大家心里都清楚。? 克兰茨并不服输,1989年第4期《数学信使》还为他留了一小块再反驳的空间,他讲了这样 一段再次让芒氏难受的话:“布鲁克斯和马蒂尔斯基的思想是在1978年的一次会议上提出的 ,至于芒德勃罗的早期贡献可能在1979年到1980年之间。《今日物理学》的编辑列维在1986 年4月的文章中介绍了卡丹诺夫的工作,这工作用的是统计力学方法而不是分形几何方法。 列维描述这一深刻的科学研究工作时用了分形的语言,芒德勃罗表示默认,这正好提供一个 例子,说明分形几何学家借用其他学科的出色成果来装点自己的倾向。”? 抛开情感因素,克兰茨对分形几何的批评是有意义的,分形几何的确存在他所指出的若干不 成熟性、不严格性,但是这不应该归罪于一个人,特别不能归罪于为这一新学科做出重大贡 献的创始人芒德勃罗。责任应该由科学共同体集体承担,其中他自己也有份。当然由于涉及 一些个人利益,芒德勃罗过分敏感,作为领袖他主动应战。实际上芒德勃罗并没有争回什么 (?M?集的命名已成事实,谁也改变不了),反而影响了自己的公众形象,使人觉得他是一 个过分计较的人。芒德勃罗大概没有研究过大众传播学,他应该知道,人不出名时,公开的 争论对自己有利,而当自己出名时,公开争论只能给自己抹黑。? 有人曾说芒德勃罗这个人有才无德,他与几乎所有同事都争执,甚至把别人指责他的把戏转 手用于攻击别人,例如他曾攻击非线性科学同一阵地的费根鲍姆,指出他的周倍化普适性过 程并不新鲜,一个叫米尔堡(P.J.Myrberg)的人早在1962年就发现了云云。这种说法有些过 火,其实芒氏与多数同事都相处得很好,如与汉德尔曼(S.W.Handelman)、沃斯(Richard F. Voss)、拉夫(Mark R.Laff)、诺顿(V.Alan Norton)及迈肯娜(Douglas M.McKenna)等。? 〖BT2〗值得思索的问题〖HT〗? 这篇短短的评传,只写了与芒德勃罗有关的几个典型问题。一方面是材料有限,比如关于个 人生活方面的资料十分少,多亏芒氏本寄来一部分;另一方面是材料太多,比如分形科学方 面的文献,汗牛充栋,仅芒氏本人就有一大堆读起来颇费气力的论文和专著。到目前为止, 也还未见现成的芒氏传记可资参考,芒氏的三个大部头也均未译出。此外芒氏还健在,分形 理论还在发展,一切离“阖棺定论”还遥远。? 在有限的篇幅里,还用相当多篇幅讲芒氏如何与别人激烈争论,似乎作者并不欣赏传记的主 人公,对芒氏怀有敌意,其实正好相反,作者相当崇拜芒德勃罗。好像有人说过,为某人 立传最忌讳作者不喜欢书中的主人公。? 那么为何专捡一些对芒氏不利的方面来描述呢?这是由芒德勃罗这个人物特点决定的,只有 这样才能展示他如何与传统与现实不相容。尽管如此,他还是空前成功了,这更值得思索。 我们敢肯定,他是少有的天才,虽不像爱因斯坦那么纯正、圣洁,但仍然是个性独特、创造 力极强的天才。? 几个曾引起作者思考、多少扯得远些的话题罗列如下:? 1.芒德勃罗是靠强调几何取胜的,“分形”也是这样宣传起来的,但代数、几何、分析同等 重要,不同时代、不同学派各有所侧重是正常的,但用一种去排斥另一种就显得不自然(如 布尔巴基故意避开几何图形)。几何重形象,有助于对问题的理解,但过分依赖形象是不够 的、不严格的。经典的倍立方、三等分任意角、画正七边形及“化圆为方”等几何问题,单 纯靠初等几何是不行的,只有借助于“有理数域”以及超越数(如证明圆周率?π?的越越 性)等概念,才能彻底证明“圆规+直尺”不能作出上述四种图形。??[34]?拓扑学是 一门几何学,但代数拓扑离几何形象已经较远了。计算机数值计算与绘图技术有助于数学家 获得几何直观、提出数学猜想,但这与严格的数学证明还是两回事,数值计算永远不能代替 数学逻辑证明。? 2.当今大科学的运行模式是最好的吗?特别地,自然科学严重分化、数学日渐抽象化、基础 科学家为了发表论文而发表论文、大科学时代如何对待科学家的个人兴趣等等问题,显然已 经十分严重了。然而悲哀的是,短期内竟看不出有什么好的解决办法。再出来几个芒德勃罗 式的人物肯定有好处,但很难,也扭转不了大局。SCI和EI论文统计有一定意义,但它与科 研水平、特别与科学创新关系不大,科学史上的重大突破常常只靠一两篇论文。自然科学基 金通常资助已经取得成就的人员,但是已经取得了成就还用再资助吗?反过来,不取得成就 怎么判断应该资助他呢?显然基金应当只资助那些能取得但尚未取得成就的人,但很少做到 。? 3.科学家队伍不断膨胀,但科学精神并没有因此而发扬光大,没有推向社会而成为公众文化 的重要组成部分,相反在科学家内部,由于工匠式人物和纯技术性工作日渐增多,科学精神 还有被弱化、淡忘甚至曲解的趋势。在科学界以外,反科学情绪逐渐在积累。作为科学精神 一部分的理性怀疑与宽容精神确有大力提倡的必要。? 对待分形几何这样的新事物,既要有所怀疑又要宽容。这个学科处于草创阶段,问题多如牛 毛。问题多是好现象,没有问题该学科不是无意义的学科就是已经死掉了的学科。还要看这 “牛毛”里是否有突出的问题以及这些问题是否有解决的希望。? 对于科学问题要实事求是,不能把一种东西吹过头。芒氏在多种场合吹嘘过自己的新几何学 ,但他也讲过这样的话:“最应强调的是,我并未把分形观点看成是万灵妙方,每个范例研 究都应根据它所在领域内的准则来加以检验,也就是,多半是基于它的组织、说明和预测方 面的威力,而不是作为数学结构的一个例子。因为每一个范例研究都必须化简以使它成为纯 粹技术性的问题,读者若要了解详情,可查阅其他文献。结果(如像汤普森1917那样),本书 从头至尾都是序言性的。任何有更多期望的专家都将感到失望。”? 4.芒氏的奋斗史对国人从事科学研究有什么启示呢?看到坚定信念、大胆创新只是一个方面 ,练好基本功、脚踏实地也是重要的。要注意芒氏这样的人才是很少的,不可否认他的确天 资聪颖,他的基本数理功底也是相当不错的。他虽然不善于证明一串串的数学定理,但他的 数学与物理直觉很好。他从未为了创新而放弃理性,从未在自己生疏的领域留下伪科学的笑 柄。如果不打好基本功,以芒氏为榜样以期取得重大科学突破,大概是不可能的。? 举例来说,芒氏如果数学分析基础不好,他也不会注意那些古怪的案例,只有对课本正统内 容有深刻领悟,才能发现别人不容易发现的问题。同样他的概率论学得也是相当有深度的, 他对莱维的非高斯稳定分布有强烈印象,后来才尝试把它用到各个领域,而在当时,甚至现 在,绝大多数人也不理解甚至不知道还有莱维分布。? 还有一个方面可以说明芒氏数理基础扎实。通常人们是由理工科跳到经济、社会科学,反向 跳几乎不可能,这种不可逆性是显然的,但芒氏研究了经济后,还能研究湍流,到了80年代 又开始了复迭代函数的研究,并且取得了成就。? 5.人物评价的复杂性。我们看到即使像芒德勃罗这样一个与政治无关的人物评价起来也不容 易做到客观公正。这主要牵涉当世人的利益关系和个人情感、好恶。吾辈小人物任凭如何评 论,关系不大,但作为有影响的人物出面参与评论,情况就大不一样。比如芝加哥大学卡丹 诺夫教授卷入与芒氏的争论,其影响就非同小可。所以科学界的大人物作评论要慎重,但常 常不是这样。? 在评价一个科学工作者时,更多是要看他的科研成果,而不是别的什么东西。至于他同性恋 、性格古怪或者有什么作风问题,都是次要的,只要他不触犯法律。用纳税人的钱养活一群 人缘好、“道德高尚”但不出成果的“科学家”,毫无意义。伽利略、牛顿、莱布尼兹都有 若干不光彩的一面,据说爱因斯坦也不例外,但这并不妨碍他们是人类的最杰出代表,他们 追求真理的科学理性精神是人类最宝贵的财富。? 6.基础研究不可急功近利。愿为科研、教育投资的政府和老板,都有一个小算盘:今天投入 100元,别天就得收回200元。如果实现了,便说科技的确是生产力,甚至第一生产力;如果 没有得出结果,或者仅仅是暂时没有出成果,内心就觉得科技无用,但不会说出来,而实际 上对增加科教投入已无兴趣,所以出现“雷声大雨点小”的情况。? 芒德勃罗在IBM任职20余年后,才算混出一点名堂,但他始终得到格莫瑞(Ralph E.Gomory, 曾任IBM公司经理、部门主任、研究部主任和副总裁)的信任和大力支持,对此芒氏念念不忘 。??[4]?在IBM供职期间,公司还为他创造了各种机会,允许他到全美以及世界各地 作短期访问和兼职。当然,IBM下属研究所的许多研究是纯粹科学探索性质的,不要求有任 何商业考虑。从长远看,这是“欲擒故纵”。分形研究以及研制“深蓝”与卡斯帕罗夫(G.K asparov)下棋,虽耗资巨大,但最终使IBM声誉大增,间接促进了其商业行为,善于讲兵法 的中国人怎么只会在口头上高谈阔论?? 〖BT2〗注释与参考文献〖HT〗? [1]B.B.Mandelbrot,?Fractals:Form,Chance,and Dimension?, W.H.Freeman and Company,San Francisco,1977? [2]B.B.Mandelbrot,?The Fractal Geometry of Nature?,W.H.Freeman and Company,New York,1982, Updated and Augmented.参阅了上海交通大学陈守吉的中译文初稿。 ? [3]J.Gleick,?Chaos:Making a New Science?, Viking Penguin Inc.,1987,pp.81-118,213-240.中译本:卢侃、孙建华编译,《浑沌学传奇》,上海翻译出版公司1991年,第103-147,250-280页。此书另外还有两个中译本? [4]D.J.Albers G.L.Alexanderson,?Mathematical People:Profiles and Interviews?, Benoit Mandelbrot, Interviewed by Anthony Barcellos,Birkh?a??user, Boston,1985,pp.205-226.感谢芒德勃罗1997年5月惠寄本文复印件? [5]B.B.Mandelbrot,Fractals. In ?Chaos:The New Science?, Nobel Conference XXVI,Edited by John Holte.本文是根据1990年4月芒氏在纽约古根海姆博物馆(Guggenheim Museum)的讲演以及1991年在林肯中心艾丽丝·图利报告厅(Alice Tully Hall of Lincoln Center)的演讲简化而成的,发表时间大约在1992年以后。感谢芒德勃罗1997年5月惠寄本文复印件? [6]B.B.Mandelbrot,Fractal geometry:what is it,and what does it do? ?Proc.R.Soc.Lond.?, A423,3-16(1989)? [7]B.B.Mandelbrot, Stable Paretian random functions and the multiplicative variation of income, ?Econometrica?,Vol.29,No.4,October 1961,pp.517-543? [8]B.B.Mandelbrot,Paretian distributions and income maximization, ?Quarterly Journal of Economics?, Harvard University,Vol.LXXXVI,Feb.,1962,No.1,pp.57-85 ? [9]B.B.Mandelbrot,New methods in statistical economics, ?The Journal of Political Economy?, Vol.LXXI, October 1963, No.5,pp.421-440? [10]S.M.Brucker,CS400 Biography:Beniot Mandelbrot. From http://www.kzoo.edu/~a 24,1995? [11]John Franks(西北大学数学系教授,斯美尔的学生),Review on book ?Chaos:Makbrady/CS400/bioW96/brucker.html,January Making a New Science? by James Gleick, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.1,1989,pp.65-69;70-71. James Gleick的回答见同期第69-70页? [12]B.B.Mandelbrot, Chaos,Bourbaki,and Poincar?e??, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.3,1989,pp.10-12. John Franks关于格莱克《浑沌;开创新科学》一书书评的总答复见同期第12-13页。? [13]David Crystal, ?The Cambridge Biographical Encyclopedia?, Internet Version, Cambridge University Press,1994? [14]Steven G. Frantz(华盛顿大学数学系),Fractal geometry, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.4,1989,pp.65-69;70-71.此文严厉批评了“分形几何学”领域的一些言过其实的现象,其中有相当多言辞与芒德勃罗有关。芒德勃罗的“反驳”文章见同期第17-19页,题目是“Some ‘facts’ that evaporate upon examination”。之后Frantz又写了几句评论,见第19页。事后《数学信使》杂志编辑又征求当事人Robert Brooks(洛杉矶加州大学数学系教授)和Leo P. Kadanoff(芝加哥大学研究院教授)的意见,他们俩分别就“The Mandelbrot Set”和“Fractals”写来短信,刊登于该刊1990年第12卷第1期第3-4页。Frantz与Mandelbrot的争论文章中译文刊于《数学译林》1992年第4期,《分形理论的哲学发轫》一书也收录了这两篇译文? [15]Vita and publications of Benoit B. Mandelbrot, ?Physica? 38〖WTHZ〗D〖WTBZ〗(1989)385-395? [16]A. Aharony, Measuring multifractals, ?Physica? 38〖WTHZ〗D〖WTBZ〗(1989)1-4? [17]P.Mirowski,Mandelbrot?s economics after a quarter century, ?Fractals?, Vol.3,No.3(1995)581-600? [18]J.Klafter et al.,Beyond Brownian motion, ?Physics Today?,Feb.,1996,pp.33-39? [19]U.Frisch,Tubulence:The Legacy of A.N.Kolmogorov,Cambridge University Press,1995? [20]L.P.Kadanoff,Fractals:where?s the physics? ?Physics Today?,Feb.,1986,pp.6-7? [21]B.G.Levi,New global formalism describes paths to turbulence, ?Physics Today?,April 1986,pp.17-18? [22]B.B.Mandelbrot,Multifractal and fractal,?Physics Today?,Sept.,1986,pp.11-12? [23]B.B.Mandelbrot,How long is coast of Britain? ?Science?,Vol.156,1967,pp636-638? [24]H.?O.Peitgen et al., The Beauty of Fractal, Springer?Verlag,1986.中译本:井竹君、章祥荪译,《分形——美的科学》,科学出版社1994年? [25]H.?O.Peitgen ?et al?., The Science of Fractal Images, Springer?Verlag,1988 [26]黄登仕、李后强,《非线性经济学的理论和方法》,四川大学出版社1993年? [27]程光钺编,《分形理论及其应用》,全国分形理论及其应用学术讨论会文集,四川大学出版社1989年? [28]李后强等,《分形理论的哲学发轫》,四川大学出版社1993年。? [29]冯长根等,《非线性科学的理论、方法和应用》,科学出版社1997年。? [30]赵凯华等,《非线性物理导论》(初稿),北京大学非线性科学中心1992年8月? [31]范岱年等编,《爱因斯坦文集》第二卷,商务印书馆1977年,第72-82页? [32]马季芳译,《今日数学:随笔十二篇》,Lynn Arthur Steen编辑,上海科技出版社1982年? [33]胡作玄,《布尔巴基学派的兴衰》,知识出版社1984年? [34]柯朗、罗宾著,左平、张饴慈译,《数学是什么?》,科学出版社1985年? [35]斯图尔特著,潘涛译,《上帝掷骰子吗?》,上海远东出版社1995年,第232页? [36]科恩著,杨爱华等译,《科学革命史》,军事科学出版社1992年,第46页? [37]邓东皋、孙小礼、张祖贵,《数学与文化》,北京大学出版社1990年? [38]汪富泉、李后强,《分形》,山东教育出版社社1996年? [39]常庚哲,《曲面的数学》,湖南教育出版社1995年,第33页? [40]齐东旭,《分形及其计算机生成》,科学出版社1994年? [41]克莱因,《古今数学思想》第三册,上海科学技术出版社,第121页? [42]刘华杰,浑沌研究,见《跨学科研究引论》第8章,金吾伦主编,中央编译出版社1997年,第179-251页? [43]刘华杰,《浑沌:科学与文化》,山东教育出版社1996年? [44]刘华杰,《分形艺术》,湖南科学技术出版社1997年?? 〖GK14!2〗〖HT5”F〗 收入《科学巨星》第10辑,陕西人民教育出版社1998年 〖HK〗〖HT〗
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Mandelbrot:美丽的分形
热度 3 xqhuang 2010-10-20 06:53
谨以此文悼念分形之父(Mandelbrot)曼德勃罗先生! 著名数学家,被誉为分形之父的Mandelbrot先生,美国时间10月15日在马萨诸塞州剑桥辞世,享年85岁。他用美丽改变了我们的世界观,他被认为是20世纪后半叶少有的影响深远而且广泛的科学伟人之一,1993年他获得沃尔夫物理学奖,他是美国科学院院士,生前还被选为美国物理学会、美国统计学会、IEEE、计量经济学会、数理统计学会等学会的会士。 大概是拥有犹太人血统,他是一位非常另类的科学家,特立独行,喜欢提出新问题和新猜想,他的论文涉及数学、信息论、经济学、金融学、语言学、生理学等几十个学科。曼德勃罗前半生的学术生涯可以用坎坷两字来形容,过着打一枪换一个地方的学术流浪者的生活,孤独地一个人行走,没有同道,论文几乎都被主流学术界无情地枪毙,被退回的手稿堆积如山。坚强的他选择了创立新的学科,自己开拓一片天地,奇迹终于出现了,1975年他独自创立了分形(Fractal)学,出版了一系列奠定分形学说的著作,赢得了世界性的声誉和学术地位。 分形(Fractal)一词,是曼德勃罗创造出来的,其原意是不规则、支离破碎的意思,所以分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。按照分形几何学的观点,一切复杂对象虽然看似杂乱无章,但他们具有相似性,简单地说,就是把复杂对象的某个局部进行放大,其形态和复杂程度与整体相似。在分形世界中,每个人都可以在身边熟悉的事物中找到戏剧性的新发现,比如中国的海岸线有多长?分形学认为这是一个不确定的答案,海岸线的长度取决于你用什么样刻度的尺子进行测量,刻度越细,所测量的海岸线长度就会更长,乃至无限。如今分形学的研究成果已经广泛地应用于物理、化学、生物、地质、农业、金融、艺术等诸多领域,其不规则图形设计理念甚至影响流行文化。 如果我没有记错的话,最早把分形引进中国的是中科院沈阳金属所的龙期威研究员,他首先把分形理论应用于金属断裂的研究,龙期威先生还为在中国推广分形学的研究做出了贡献,这其中最大的受益者当属四川大学校长谢和平院士。我至今仍清楚地记得,1989年在金属所举办的全国分形学研讨会,恰好在金属所学习的我经常去旁听,那次研讨会留给我最深印象的不是那些做报告的专家,而是坐在我身边的一位壮汉,他特喜欢提问题,那浓重的湖南音总能引起全场一片善意的笑声,他就是谢和平先生,谁也没有料到日后他会成为一名院士和著名大学的校长,他学术上最大的贡献就是把分形方法引入到裂隙岩体的研究,形成了裂隙岩体非连续行为分形研究的新方向,不夸张地说是曼德勃罗先生的美丽分形成就了谢和平先生。 有学者这样说过:为什么世界这么美丽,因为我眼睛看到的都是分形,大到海岸线、山川形状、天空的云朵,小到一片树叶、一片雪花、皮蛋里的花纹,分形无处不在,无处不有。
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揭示复杂性:从经典分形到复杂网络
Fudanzhangzz 2010-9-25 11:21
复杂网络是当前学术界广泛关注的一个热点。人们研究复杂网络 , 目的是通过利用复杂网络这一有力工具来研究探索复杂性问题。复杂性问题的研究方法总结起来主要有 : 分子动力学、混沌、分形、复杂网络等。那么,这些复杂性科学的研究方法之间有什么联系呢 ? 最近,我和一位大三的本科生高曙阳同学,及其他合作者在《 Journal of Physics A 》 发表了一篇文章。论文以 Koch 雪花分形为例,系统地研究了如何从分形得到复杂网络,并详细计算了该网络几乎所有的结构性质。接下来的一段是所发表文章的中文摘要,供同行参考,并欢迎大家多提宝贵意见。 摘要 : Koch 系列分形是最有趣的分形之一,而复杂网络的研究则是当今学术界关注的一个核心课题。受 Koch 分形的启发,本文提出了一种映射技术,把 Koch 分形映射成一个类网络,称之为 Koch 网络。这类网络整合了大部分现实网络系统的一些关键属性:度分布指数在 2 到 3 之间、簇系数高、网络直径和平均路径长度小、具有度有相关性,等等。此外,文章还精确计算出了该类网络的生成树,生成森林和生成的连通子图的精确数目。所有这些特性都是根据我们所提出的 Koch 网络的生成算法而得到的。 Koch 网络的表示方法可以用于研究一些相关现实世界系统的复杂性。全文见附件一。 Koch 分形只是众多著名规则分形的一种,关于复杂网络与其它经典分形 ( 如阿波罗分形垫、谢尔宾斯基分形垫 ) 的关系 , 我们组也做过大量的工作,详见我们发表在《复杂系统与复杂性科学》上的综述性文章, 全文见附件二。 我们的工作不但 说明了如何由经典的分形产生小世界无标度网络, 揭示了分形与复杂网络的关系; 反过来 , 由经典分形产生的复杂网络也能促进对分形的深入研究。 Koch 网络 确定性网络综述
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钢中夹杂物颗粒到底怎样的运动方式
guoluofang 2010-9-22 12:01
钢中夹杂物颗粒到底是怎样的运动方式 对钢中夹杂物颗粒行为的研究屡见不鲜,但对钢中夹杂物的动态运动方式到底是怎样的过程至今还未成定论,对此问题也是仁者见仁,智者见智。撇开夹杂物的热力学研究不谈,光从夹杂物行为的研究来看,对夹杂物的数值模拟部分已成气候,但对他们的研究看来,自认为存在不少问题:1、对夹杂物受力分析方面,夹杂物颗粒的受力种类是否全面?,对微小夹杂物的布朗扩散力是否有必要考虑在内?2、从数值模拟的控制方程来看,大部分是先做出了流场模拟,然后对夹杂物运动方程与流场进行耦合而得到夹杂物的运动轨迹,这样势必增加了钢液对夹杂物颗粒的曳带作用,也就是说增加了钢液对夹杂物颗粒的刚度;3、夹杂物颗粒是否有自由凝聚的作用,又是怎样的自由凝聚过程?4、夹杂物颗粒的碰撞问题到底是怎样的过程,碰撞的结果又该如何定论?5、分形理论的DLA模拟能否会胜任来研究夹杂物颗粒的自由凝聚过程,钢液的界面力和物性参数又该如何在此模型中体现? 钢中夹杂物颗粒到底是怎样的运动方式?值得去思考和琢磨。
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课题组本科生第一篇发表在PRE上的第一作者文章
Fudanzhangzz 2010-9-19 11:16
  刚收到 Physical Review E ( PRE ) 编辑部发来的一个好消息:由我们组林苑、吴斌两位本科同学和我一起合作的文章《 Determining mean first-passage time on a class of treelike regular fractals 》已在 PRE 上 正式发表,这是我们组以本科生为第一作者发表在 PRE 上的第一篇论文。 这个工作针对一类树状网络,研究了将陷阱置于某一特殊节点的随机游走时间与全局随机游走时间问题。针对这两个问题,我们分别提出了新的计算方法,该方法计算简单、便捷。为了说明所提出方法的计算过程,我们提出了一类确定性 T 形树,并针对这类树状网络,给出我们所提出方法的计算细节,得到了精确的结果。文章还通过多个例子,说明了所给出的新方法具有普适性。 为了获得计算平均首达时间的简捷方法,林苑和吴斌两位同学付出了大量的时间与精力,他们对这两个问题进行了反复讨论、计算与验算,最终攻克了这些难题。这篇文章的工作量非常大,共有 12 个 PRE 版面(全文见附件)。如今文章在 PRE 上正式发表,这是对两位同学辛勤付出的肯定与鼓励。 本科生以第一作者身份在国际著名期刊上发表文章,说明了在适当的引导与培养之下,本科生是可以做出很出色的工作的。希望我们课题组的本科生同学再接再厉,争取今后做出更加优秀的研究成果。 文章发表的PDF版本
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大自然创作的分形艺术
jiangxun 2010-9-16 08:30
作者:蒋迅 数学上的 分形 ( Fractal ) 是指“一个粗糙或零碎的几何形状,可以分成数个部分,且每一部分都(至少会大略)是整体缩小尺寸的形状”。数学家们已经创作出许多美丽的分形图案,有一个网站 Fractal Animation ,专门收集分形的视屏。我国还分形频道: http://www.fractal.cn/net/ 。 在自然界里也有许多分形的事物。 连线 给出了一组大自然创作的分形艺术,转到这里。如果你喜欢的话,一定要看 连线 的原文,那里有更多的图片,还有讲解。 绿菜花 (Romanesco Broccoli) Source: Flickr/ Tin.G 盐硷地 (Salt Flats) Source:Flickr/ Tolka Rover 鹦鹉螺化石 (Ammonite Sutures) Source: Flickr/ cobalt123 群山 (Mountains) Source: NASA/GSFC/JPL, MISR Team. 蕨类植物 (Ferns) Source: Flickr/ cobalt123 云彩 (Clouds) Source: Jeff Schmaltz/ MODIS Land Rapid Response Team/NASA 叶子 (Leaves) Source: Flickr/ CatDancing 峡谷 (Canyons) Source: GeoEye/Space Imaging 闪电 (Lightning) Source: Flickr/ thefost 孔雀羽毛 (Peacock Feathers) Source: Flickr/ Digimist 雪花 (Snowflakes) Source: Flickr/ mommamia 瀑布 (Waterfall) Source: Flickr/ catdancing 三角洲 (River Delta) Source: NASA
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“第六届全国网络科学论坛与第二届全国混沌应用研讨会”报告PPT
Fudanzhangzz 2010-8-2 16:49
2010年7月26-31日,第六届全国网络科学论坛与第二届全国混沌应用研讨会在(北京)中国高等科学技术中心召开,我和吴斌、林苑两位大二、大三的本科生同学参加了会议,会议开得很成功。 我们(我、林苑、以及吴斌)先后在会上介绍了我们组在网络上随机游走方面的主要工作。为了便于交流,附上我报告的PPT,欢迎各位同行多提宝贵意见!也欢迎大家加入随机游走领域的研究。 以后争取多带些本科同学参加学术会议。 第六届全国网络科学论坛与第二届全国混沌应用研讨会报告PPT
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重新燃起对自然生命系统的好奇!
zjie 2010-3-5 00:04
作为我第一篇在科学网的博客,一直难以落笔。 作为一名70后,这是我第35个春秋的开始…… 小学时代开始接触娃娃电脑,中学时代对物理、数学、模型制作十分的狂热,参加了一些竞赛,本科读了计算机,之后去了电信行业。2000年前后揣着满腔热情开始创业,起起伏伏若干年至今。经历了很多,体验了很多。不知何时,突然重新撩起了对科学研究的兴趣和好奇心,突然震撼于冬日里树木枝杈的形状、震撼于嫩芽突破泥土的一刹那、震撼于没有外界的干扰下一个鸡蛋化学汤发育成小鸡并激活、震撼于自己手指关节在意识驱动下自如的活动…… 仿佛回到中学时,那时不知为什么买了那本《混沌学传奇》,还自己动手用BISIC语言编程实现了其中的一组方程,当参数变化,那种分崩、混乱的现象出现时,激动莫明!那是一种隐晦的直觉和神奇,里面的奥秘无以形容! 去年重新翻书柜,庆幸那本泛黄的《复杂》之书还在,再一次细细研读。10年前还感觉晦涩的内容,如今确突然让自己获得无法言语的共鸣!于是重新开始自己的第二次读书历程,继续少年时的好奇,遨游于生命、系统、大自然的美妙中…… 熵、混沌、分形、幂律、自相似、复杂、正反馈、太极阴阳…..仿佛有无形的手将他们串在一起…… 引述张嗣瀛院士的文章《复杂性科学,整体规律与定性研究》(2005)中结尾所写: 大千世界间何其相似乃尔!从一叶看宇宙!
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[小红猪]到N维去
songshuhui 2010-1-25 11:45
小红猪小分队 发表于 2010-01-20 10:00 原文 ,译者:五月香樟;校对:CS;特殊感谢Shea提出宝贵意见。 我们处理三维问题十分自如,必要时对付四维问题也凑合。我们不费吹灰之力就能接受有实体和无限空间的三维世界。加上第四维时间后情况就有点复杂了。但当我们开始研究包括再多或再少维数的世界时,情况才变得真正复杂起来。 虽然这些奇妙的世界让人有点头疼,可它们的确很重要。比如,弦理论作为我们最有希望的万有理论候选者,在低于10维的时空中根本没有意义。再比如,固体的一些奇异但有用的特性,如超导性,需要利用二维、一维、甚至零维的理论才可以解释。好,请准备好,现在我们就从最艰深的部分开始解释维度:维度是什么?为什么如此定义?它有什么应用?在此过程中,你可别抓狂,也别走神。 维度是什么? 如此基本的问题,你可能认为我们早有一个简单的答案,可惜并非如此。事实证明,仅仅对维度下个定义就是一个很棘手的问题。 对维数最直观、也是最古老的描述是:一个系统所拥有的维数是物体能够移动的独立方向的数目。上和下仅当作一个维度是因为上和下是一个硬币的两面,向上走就是远离下方。左和右,前和后也是这样,但上和右、下和后等之间就没有这种关系。所以古希腊几何学家说:我们生活在三维世界中。 现在一切还很简单,但马上事情就要开始失控了。我们同时需要空间和时间来定义我们在宇宙中的位置。早在18世纪末,法国人达朗贝尔和拉格朗日就发现用于描述时间的数学语言和用于描述空间的非常相似。所以,当时的数学家很快得出结论:时间就是第四维度。 这样就打开了思想的闸门,将时间看作为第四维度,这种新的理解远超出其原始定义,大大地扩充了维的概念。从那时候开始,维不再仅仅是描述物理的空间坐标,它被当作通用术语来描述决定任何物体状态的独立坐标或变量数。 这一手实在高明,从此数学家可以运用几何分析这一利器去处理他们想研究的几乎任何事情。例如,现在一个经济学家可能将整个经济活动看作一个巨大的多维度客体。馒头或大酱的价格升降可以被描述为价格坐标在多维空间中的运动,与我们在前后或上下方向上的运动完全类似,当然,这仅是描述经济状态的数百万维度中的两个 理解维度 请您先把此句末尾的句号涂成实心的,然后盯着它看。恭喜,你已经目睹了零维空间。现在用你的手指沿着纸边移动,然后把本页当成一面纸看。这就分别是一维和二维空间,也挺容易吧? 但现在,尝试想象超过三维的空间。 头疼吧?别担心,很多人跟你一样。我个人无法想像超过三维的空间,伦敦帝国学院的弦论学者Michael Duff说道,他的工作时常需要处理十维或十一维的对象。被这坦诚的答案雷到了吧,那么,理论物理学家们为何还能对他们的理论充满信心呢? 17世纪的法国数学家笛卡儿替他们解了围,他把真实的几何空间转换成抽象的代数方程。例如,给定一条长度一定的线段,一端固定,另一端在二维空间里旋转,那么你可以写一个方程,描述线段旋转时x坐标和y坐标满足的关系,这就是一个圆的代数表达。 这种想法实在强大,从此仅通过引入更多的坐标就能够维所欲维地增加维数。比如,通过引入新坐标z,我们可以采用刚才用x、y坐标满足方程来描述二维圆的方法,来描述三维的球。 那么,为什么不从此就开始写下四维、五维或六维超球体的方程呢?终于,在1854年,德国数学家黎曼成了第一个吃螃蟹的人,将三维几何推广到任意维数上。这多维的方程式也没什么大不了的。普林斯顿高级研究学院的弦论学家威顿说:结果处理起来不算困难。 从数学上看的确如此,但我们总不免好奇,那些高维数的物体实际上看起来是什么样的?纽约大学物理学家Gia Dvali认为这个实际上无关紧要,只要你脑子里能够想出一些管用的图像就行了。他说:方程的本质通过图像和动画可以非常容易地记在脑子里。对他而言,牛顿引力定律的图像是:一个有质量的物体产生的引力场的力线沿所有方向延伸到无限远处。不管你想象的空间有多少维,这幅图像同样有效。Dvali承认:这种物理图像虽然与实际的额外维空间无关,但是它让我们可以很容易地把定律推广到高维空间。 零维 - 在点上 零维的东西,呃,比如皇帝的那件新衣存在吗?实际上,这种说法就很自相矛盾。因为没有维就没有容纳任何东西的空间,因此零维一定意味着没有任何东西。一定吗? 不一定。物理学中一些最热门的对象是被称为量子点的零维半导体结构。它可以是从纳米到微米级别的任何物体,虽然其物理尺度不为零,但电子在其内部填充得如此致密,以至于它们没有自由的维度。 荷兰Delft大学的Leo Kouwenhoven说:对于电荷而言它是零维陷阱。被这样束缚住的电子的运行方式非常特殊,由此带来一些极为有用的特性。 首先,因为被束缚在量子点中的电子寸步难移,所以输入到量子点的任何能量都不能用来扰动其中的电子,而只能以光的形式释放,这就使量子点有望被制造成高效低功率的光源。因为它们如此之小,所以这些量子点同时也可以作为荧光标志来标识抗体之类的生物分子,用来追踪它们在活的生物体中的生化过程。 Kouwenhoven承认量子点的应用仍然遥远。他说,首先我们得用无毒材料来制作量子点。他自己的研究集中在另一个潜在的应用热点领域。因为每个套牢在量子点上的受激电子精确地产生一个光子,因而信息能够在光子和电子之间可靠地来回传递,这使得量子点成为能够用在第一代量子计算机上控制和储存数据的合适介质。量子计算机的功能惊人地强大,如果我们能建造一台足够大的量子计算机,这肯定会改变我们处理信息的方式。 Kouwenhoven说:可能几年后我们会有采用量子点工作原理的样机,至于商业应用可能在十年左右。是不是有点欢欣鼓舞了?看来,无中生有也并非完全不可能啊。 一维 沿着直线走 一维的物理学开始看起来有点熟悉了。一维仅仅是一条直线,是牛顿运动定律这样的经典物理规律起作用的理想环境。 然而却是在量子物理中,古老的一维世界才开始焕发生机。瑞士日内瓦大学的一维材料专家Thierry Giamarchi说:在一维世界,你能得到在其它任何维数中都没有的新奇效应。 比如电子的行为,正常情况下它们竭尽全力避开同类,但当困在只能来回移动的一维通道时,它们开始相互作用,整体像一个电子般移动。在适当条件下电子的特性有所改变:一个困住的电子能够表现得像两个粒子,一个具有它的电荷,另一个具有它的自旋。Giamarchi说:这类现象在一维世界中屡见不鲜。 电子的这些特性不止具有理论上的意义。当电子元件越来越小,一维物理学效应就越来越重要。我们可以按照需要将一维的碳纳米管制造成导体或者半导体,这将是未来数代计算机芯片制造工业的热门领域。 1½ 维 分形景观 我们生活在三维世界中,其边界是二维表面,而二维面的边界是一维的线。这是一个舒适的、容易理解的、整数维的世界。 果真如此吗?数学家芒德布罗在他1982年出版的《自然的分形几何》中指出:云不是球状的,山峰也不是圆锥状的,海岸线也不是圆的。真实世界的维数实际上并非干净整齐的整数维。 假如你想你想把雪花美轮美奂的外周线描下来,你越放大,就越会发现自己面对着一个复杂的形状,而描绘得越接近,画的线就越长。你画的仍然是一条线,但它比直线多了很多皱褶。一条线,不管它弯曲得多厉害,都还是个一维的物体,难道不是吗? 呃,并非如此。欢迎来到分形维度:介于我们熟悉的一维、二维和三维世界之间的不规则维度。分形维与我们平时熟悉的左右、前后和上下这些维度不同,它们之间有着紧密的联系:当你以更微小的尺度观察和测量一个复杂物体的细节时,它们描述了这个物体额外占据了多少空间。(见图表) 不仅雪花,很多自然物体的形状都是分形的:河网、分支闪电、云团、花椰菜。你甚至可以声称自己生活在分形景观中,这多少取决于你在世界上所处的地点。例如,依据测量时采用的是精确度是码尺还是卡尺级别的,英国那崎岖不平的海岸线的长度呈现剧烈的变化,据计算其分形维数是1.25左右。而光滑的南非仅仅比直线粗糙一点,其分形维数为1.02。 二维 平面国的景观 英国曼彻斯特大学的Andre Geim说:二维大大地好。一维太简单,难以令人满足,而三维则太复杂和杂乱。二维的平面国则刚刚好,它的空间刚好能让有趣和有用的东西出现。Geim说:作为物理学家,你会希望生活在这个维度。 他当然会这么说了。Geim的团队在2004年制造出第一个二维材料石墨烯,这种厚度仅为一个碳原子的二维碳片可以让电子几乎无阻碍地透射,该材料也因此有巨大的应用前景。如果未来计算机的导线用一维纳米管制造,那么石墨烯将是制造电路板的理想材料。 二维世界的好处还不仅如此。再比如说高温超导体,我们早就知道在130K左右存在超导体,但是对其物理机制一直不甚了解,经过20年艰苦的研究后,现在只知道超导现象可能源于电荷相互作用所形成的二维 条纹。对深藏于超导现象之后的二维世界的了解,将有助于我们开展常温超导体方面的研究。 二维平面既是现实的,又是深奥的。当电子被强磁场约束在温度低于0.33K的二维层状半导体材料中时,长期被认为基本不可分的电子似乎分裂成了具有分数电荷的粒子,这个现象叫做分数量子霍尔效应,产生的粒子叫做任意子。 任意子不但促使我们重新思考电子的本质,跟零维的量子点一样,它给了我们建造一种超级量子计算机的希望。这种机器能够忠实地模拟量子系统的行为,如果能大规模投入使用,信息处理过程势必又迎来一次革命。总而言之,在二维平原之上,铺展着条条通向从新药研发到并行宇宙的几乎一切事物的未来之路。 三维 我在故我在? 二维平原和多维超空间已成为想象力神游的美好娱乐场,而我们的身体却似只能滞留于三维空间之中。我们为什么不是生活在在二维、四维、五维或者更多空间里呢?最近,当物理学家尝试融合万有引力和量子理论来解释时空的本质的时候,这一古老问题也将被重新提起。 作为通往量子引力的一种路径,弦理论却给出了一个不令人满意的模糊答案:从0维到10维的空间都是可能的。这促使理论物理学家诉求于人择原理:各种维度的宇宙都是可能存在的,至于我们看到的世界是三维的原因,则是因为假如它不是,那么人类就不可能存在其中并得到这一观测结果。 (注:『人择原理』被观测的宇宙的环境,必须允许观测者的存在。) 2005年西雅图华盛顿大学的Andreas Karch和哈佛大学的Lisa Randall为了阐明这一问题而提出了一个更依靠于物理原理的解释。他们建立了一个理论模型,该模型的时空是弦论中最普遍接受的十维时空,在这个随着时间膨胀的超空间中漂浮着各种不同维数的宇宙,它们在碰撞时湮灭。计算表明,三维和七维的宇宙最有可能从这种碰撞中幸存下来。 如果你接受了这个模型,那么就几乎回答了我们为何对三维空间情有独钟这一问题。除了最后一个疑问,为什么不是更宽敞的七维而非得是拥挤的三维呢? 这个问题也许可以从一个欧洲研究小组最近完成的工作得到解释。他们认为,时空并非是一个均匀的整体,而是由许多极小的片段构成的微元。为此他们把时空分割成一些简单的单形,这些单形以不同的方式粘和在一起,构成整个完全时空。单形 (也称单纯形)是空间中最简单的多面体,是平面几何中三角形这一概念在高维中的自然推广。量子理论告诉我们宇宙的真实形状应该是所有这些不同的粘和方式的概率叠加,通过要求在这个宇宙模型中因果关系要得到严格满足,该研究组计算出宇宙的时间是一维的,而空间是精确的三维。 根据这项研究,可以推论对于时空的维度而言,存在这样一个尺度转折点:在极小的尺度下,空间的维度将发生改变,三维中的一维消失而仅留下二维(注:文中时空在极低的尺度下将变成2维,这是4维时空变成2维,而并非作者所理解的三维消失变成2维,原文见《NewScientist》, 2009-8-29, pp.34)。也许,如果你观察得足够精细,能看到极小的尺度,那么你将发现我们仍生活在2维世界中。 四维 时间,大骗子 空间是由三维组成的,而时间也是一个维度,那么它为什么如此与众不同? 答案:它没有不同。物理学家彭罗斯在他的书《引力》中写道:空间和时间不是相互独立的概念。在爱因斯坦的狭义相对论中,时间和空间融合成一个整体。对一个观察者来说仅仅空间坐标不同的两个物体,在另一个观察者看来,其时间坐标和空间坐标可能都是不同的;同样地,在一个观察者看来在同一地点上先后发生的两个事件,在另一个观察者看来可能其时间坐标和空间坐标都不同。 这与我们日常的经验大相径庭,原因在于我们不够快。两名观察者观察结果的差异只有当他们的相对速度接近光速这个宇宙的速度上限时,才会变得明显。 爱因斯坦的物理理论揭示了一个深刻的真相:时间和空间是紧密交织联系在一起、不可分割的,如同组成一件织物的经纬线。但两者之间也有明显的区别:原则上我们能够沿着三维空间的任意方向旅行,但沿着时间我们只能有单向的苦旅:从过去到未来。如何理解这一差异性呢? 纽约Clarkson大学的物理学家Lawrence Schulman解释说:这同样是由于宇宙速度有上限。考虑这样一个假想实验:在一个充满阳光的早晨,7点钟,拉开窗帘。假设太阳已经在6点55分爆炸了,但是我们感受不到这一点,在我们的周围仍然充满阳光,因为光从太阳传到地球,需要八分半钟。 见下图(为简化起见只画出了一维时间和二维空间),在这个例子中,宇宙中任何事件,比如正在爆炸的太阳,站在窗边的我们,等等都可以表示为时间―空间图中的一个点。由该点发出两条光线构成的光锥,其中一个代表光从事件点出发原理事件点在时空中运动,另一个表示光朝着事件点运动。如果我们在窗边就能在太阳爆炸时看到其爆炸行为,则需要信息的传播要超过我们所处的光锥,移动速度大于光速,而宇宙不允许这样。 Schulman说道:正是宇宙的速度上限使得宇宙的部分时空是不可及的。它打破了时间和空间的对称性,从而使我们所获取的信息只能是从过去流向未来的,这就是时间的单向性。 五维 进入不可见区域 宇宙究竟有多少维数?这个问题可能没有唯一答案。 将时间看作成第四维,这是爱因斯坦理论的精髓。德国数学家卡卢察做了更宏伟的设计。在1919年,他发给爱因斯坦一篇文章,在文中他主张,通过给时空加入第五维,可以将电磁力和万有引力统一描述为一种力的两个不同方面。 几年后,瑞典数学家克莱因在卡卢察的想法上更进了一步。显然日常生活中我们只看到四维时空,对此克莱因的解释是:第五维的空间尺度很小,可能高度卷曲地存在于四维时空的每一点。由此他开辟了物理学在超空间的隐藏额外维中寻找力的统一性这一思路,这一思想一直延续到在今天的弦理论中。 然而也许第五维并不像克莱因想象的那么微小。1999年哈佛大学物理学家Lisa Randall和位于马里兰巴尔的摩的约翰霍普金斯大学的Raman Sundrum利用弦理论分析了高维空间的性质,他们发现,通过引入巨大的第五个维度,可能可以解决一个一直困扰物理界的难题:为什么万有引力比其它的力都要弱?他们的模型认为,我们所熟悉的四维时空漂浮在一个无穷大的负曲率五维时空之中。电磁力和核力被限制在四维空间内部,而万有引力却可以渗透到第五维,因此在我们看来,引力比电磁力和核力要弱得多。 与此同时,加拿大安大略湖滑铁卢大学的Paul Wesson则认为,五维时空是存在的,其中四维是我们生活于斯的时空,而第五维对这个四维时空的作用是产生许多有质量的额外维粒子。这一方案可能解释了长期困扰粒子物理学界的一个难题:质量是如何产生的,它认为粒子的质量有一个几何起源。同时,该理论也解决了大爆炸的奇点问题:大爆炸开始时,宇宙处于无限高的温度和密度状态(注:这一论断并非公认结果),在这里基本物理学定律都失效了。而从5维宇宙的观点来看,大爆炸只是一个幻觉,所以也就根本没有这个问题。 五维空间的存在带来了一些更为精妙的结果。1997年理论物理学家Juan Maldacena提出一个猜想,某些有五个展开维而且包含引力的弦理论等价于四维无引力量子场论,后者可以看成是前者的全息投影,这使得我们的日常世界如同来自宇宙的边界的投影一般缥缈。 听起来神秘吧,但在很多领域,这种高-低维理论的等价性已经成功地应用到对困难问题的计算上,比如在高温超导物理。在Maldacena的图像中,四维理论并不比五维理论更真实地描述世界。这样说来,宇宙究竟有多少维数这个问题根本没有唯一的答案。 六维 两个时间 当物理学家提出涉及更多维数的宇宙理论时,他们通常只是指空间是高维的,并不涉及多维时间。 这也很好理解:如果时间是多维的,那么物体就满可以在高维时间坐标中沿环路运动,就是说,高维时间使得物体可以随意穿梭于我们所处的一维时间上的任意两点,这样就违背了光速上限,并且使我们可以进行时间旅行,而这与我们目前对宇宙观测是不相符的。 然而,到了1995年,洛杉矶的南加州大学的Itzhak Bars通过M理论巧妙地构造出了一种存在高维时间的理论框架,该理论允许第二时间维存在,且不违反光速不变且不存在时间旅行,这种模型能够解决粒子物理学标准模型所无法解决的一些问题。(注:M理论是弦理论的推广。该理论的目标是成为万有理论,一个能解释所有的相互作用的物理理论。它试图把四种基本相互作用电磁力、引力、强力和弱力统一起来。它还试图结合当前所有五种超弦理论和11维的超引力理论。为了充分了解它,爱德华威滕认为需要发明新的数学工具。M理论的M包含有许多意思,例如魔术(magic)、神秘(mystery)、膜(membrane)或矩阵(matrix)等等) 但这里有个陷阱:这个高维时间理论若要成立,必须同时存在一个额外维度的空间,因此在Bars构造的模型中,宇宙共有6个维度(4+2),这个宇宙中的事物和我们熟悉的4维宇宙中的事物非常相像,唯一的区别是:在6维世界中,描述物质的构成和相互作用的理论是6维标准模型,而当这个高维模型投射到四维时,将产生很多不同的4维版本,而其中的每一种都描述一个不同的四维宇宙。 八维 冲浪者的天堂 八维是八元数能够自然存在的空间。八元数是一种非常奇怪的数学结构,正如加利福利亚大学Riverside分校的数学家John Baze所说:它是那个人们永远要锁在阁楼上的疯叔叔。 八元数是仅有的可以进行除法运算的四种数制(注:实数、复数、4元数、8元数)之一,能够允许所有的代数运算,但八元数的运算方式复杂异常,不像我们熟悉的传统数制中的任何一个,见下图: 为什么物理学中要引入八元数呢?这是因为在某些物理学问题中它是极为有用的工具。由八元数组成的矩阵可以构成一种叫做E8特殊李群的复杂的数学结构,这种数学结构是某些弦理论的核心内容。 2007年时,E8群成为热门话题,物理学家Garrett Lisi没有采用弦理论就构造出了统一引力和其它三种相互作用力的统一理论,他的理论正是基于E8群结构的。Lisi本人没有大学职位,他花了相当多的时间在夏威夷冲浪。对他工作的报道触怒了一些人,比如伦敦帝国大学的Miachael Duff。他说道:弦理论家自从上个世纪七十年代末就开始研究E8,我们不需要冲浪好手来告诉我们这是有趣的。(注:Lisi本人的数序基础不错,但是物理学很差,其理论在物理上完全占不住脚,只是一个计算得比较正确的数学练习而已。) Duff本人对八元数的价值持不可知的态度,他指出所有由此提出的理论都还未经过实验的检验。他说道:任何人都还不知道到底八元数是否与真实世界有关。 十维 弦论的世界 也许物理学家从更高维数带回的最石破天惊的想法就是所有可能的宇宙都存在 十维,我们最后到踏上了弦理论的神话国土。罔顾所有针对弦理论的刻薄话,弦理论仍是目前尝试统一量子力学和广义相对论的最热门理论,也是万有理论的最热门候选人。该理论认为构成物质的粒子和传递相互作用力的粒子都是由弦构成的,弦的不同振动模式对应于不同的粒子。弦是1维的,它却在由1维时间9维空间构成的10维时空中振动。 为什么是10维呢?一句话,因为该理论在较少维数时行不通。如同物理学家Michael Green和John Schwarz于1984年指出的那样,在更少的维度中,在小到10^-35米的普朗克尺度上,数学上的反常会导致时空存在剧烈的量子涨落,这种量子效应会破坏理论的对称性,从而使理论不再自洽。 这些并不意味着10是就是个魔力数字。实际上弦理论的一种过时的早期形式具有26维。目前存在5种完备自洽的10维弦理论,它们都能解释我们宇宙的存在,没有哪一种理论比其它理论更正确,这些不同的理论可以被统一成一个更宏大的理论――11维的M理论,这5种弦理论只是M理论在某些情况下的特例。 M理论认为:这些额外维度是很小并且高度卷曲的,它的尺度如此之小,以至以现有的手段无法观测到。而这些高维空间卷曲存在的形式是特定的。关键是,它们可能的存在形式有无限种,如何找出产生我们宇宙的那种高维空间的存在形式,仍是一个问题。伦敦帝国学院的Michael Duff说道:这将理论物理学家分成了两派。那些认为我们最后将解决这个问题的人面临着逐渐增多的支持多宇宙论的反对派。因为,既然M理论允许存在无限多种可能的宇宙,又没有一个物理学原理来解释到底为什么我们生存在我们的宇宙中,那么,我们是否要接受人择原理,承认我们之所以观察到今天的宇宙,只是因为我们正好生活在这样一个宇宙中呢? 也许,所有的可能的存在的宇宙,实际上都是存在的,这才是物理学家对高维空间进行探索之后,所得到的最令人震惊的结论。
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微震时间序列研究的Hurst指数
edward3 2009-12-30 11:02
微震监测时间序列研究源于天然地震监测的时间序列研究。 微震监测时间序列研究,分形、Hurst指数等起了重要作用。 南非微震时间序列研究中基本参数是微震次数、微震体变势、beta值、分形维数D、Hurst指数等。 其中利用R/S分析法,计算Hurst指数目的是为了分析时间序列的统计特性。Hurst指数可衡量一个时间序列的统计相关性。当H=0.5时,时间序列就是标准的随机游走,可以认为现在的信息对未来不会产生影响。当0.5≤H<1时,存在状态持续性,时间序列是一个持久性的或趋势增强的序列,遵循一个有偏的随机过程,偏倚的程序有赖于H比0.5大多少,在这种状态下,如果序列前一期是向上走的,下一期也多半是向上走的。当0
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偶然发现乱转载:芒德勃罗B.B.Mandelbrot
热度 1 antiscience 2009-12-21 08:37
  多年前写过B.B.Mandelbrot的一份小传《芒德勃罗:沿着博物学传统走来》,为此专门采访过他,也读了一些材料。不知怎么着,小文如今在网上被乱转载,参考文献被删除,下面是其一: http://www.pep.com.cn/gzsx/jszx/kwyd/sxj/200407/t20040722_108188.htm   以沿着博物学传统走来在google上搜了一下,有691条。沿着博物学传统走来这一组合是俺造的。我很佩服Mandelbrot这个人,虽然科学界许多人不喜欢他。   Mandelbrot的成长经历对在读的理工科研究生,也许还有启示意义。 下面提供的是当年我提交给出版社的方正版带排版注解的小样(正式的纸质版修订过,肯定与此有所不同,请以纸质版为准),那时候在DOS下玩方正排版玩得很熟。有些方正注解字符在此界面下无法正常显示,格式看起来挺别扭,抱歉。 ----- 〖LM〗[方正排版另起一页的意义] 〖BT1〗芒德勃罗:沿着博物学传统走来? 1994年冬天的一个下午,北京中关村五所大楼高等科学科技研究中心报告厅内,一位年逾70 的大科学家正在作一场关于分形(fractal)的报告。此人戴着一双宽大的眼镜,圆滚的将 军肚儿微微向前挺起,颇像复平面上那个经过渲染的宝葫芦(指?M?集)。他拖着浓重的 法国口音,用英语自信地讲述着分形几何学的最新进展,这门学科起初几乎是他一人独自开 创的。他不时打量一下前排就坐的他的妻子和来自中国科学院理论物理所与北京大学的众多 非线性科学专家,当然还有数量更多的年轻研究生们,这些人没准会成为他的门徒。主讲人 时而觉得太冷,急忙穿上外套,时而觉得太热,又脱掉外套,在半个小时内竟这样重复了三 四次之多。这多少有些奇怪的举止惹得学生小声议论起来,而负责报告厅空调设备的工作人 员则局促不安地随着报告人的每次穿脱外套,走向室内两个高大立式空调前扭动几下旋扭。 ? 此人便是长期在IBM沃森中心供职、赫赫有名的芒德勃罗(Benoit B.Mandelbrot,1924- )教 授,那位在多种学科流浪了20余年才得到学界广泛承认的分形之父,那位近些年来不断 得到各种荣誉和奖励但也到处与同行发生争执的人物。? 他只是个性有些特别,对中国以及中国人并无恶意。1996年8月他再次来访中国参加李政道 主持的题为简单与复杂的国际学术研讨会。对于中国文化和文字他还有几分向往,他称 中国文字个个是图形,这正合他的几何学思维方式,只可惜一个也不认识。据说,经他从中 斡旋,他的名著《大自然的分形几何学》(?The Fractal Geometry of Nature?,1982)中 译本在中国首次印行可以免收版税。但遗憾的是,时过多年,译本还未面世。大约9年前就 听说译本不久行将出版。〖ZW(〗上海远东出版社1999年已经出版此书中译本。〖ZW)〗? 〖BT2〗家庭背景与成长经历〖HT〗? 波努瓦芒德勃罗1924年11月20日生于波兰华沙,祖籍是立陶宛犹太人。据一位语言学家讲 ,在立陶宛语中Man读作芒,所以这里不译作曼。波努瓦的父亲是成衣商,母 亲是牙科医生。? 出于对地缘政治现实的警觉,1936年在他11周岁时举家迁往巴黎。这也部分是受其叔父佐列 姆芒德勃罗伊(Szolem ?Mandelbrojt,?1899-1983)的吸引,当时佐列姆是法国的一位数 学家。佐列姆通过阅读庞加莱(Jules?Henri Poincar?e??,1854-1912)和阿达马(Jacqu es?Salomon Hadamard,1865-1963)的著作学会法语,他到法国是因为法国是经典分析的摇 篮。? 芒德勃罗的父亲很骄傲已经将佐列姆扶养大,佐列姆是父亲最小的弟弟,比他小16岁之多。 父亲是位很重学问的人,祖上几代人也都是学者。事实上家庭里每个人都像一位学者或 者期望成为一位学者,至少部分时间是这样。??[4]?不幸的是,许多学者都忍饥挨 饿。? 芒德勃罗的父亲是很实际的人,他发现最好能拥有一个固定职业。他的工作是做衣服并卖衣 服,他并不喜欢这个职业,然而他认为:一个学者的独立性和幸福最好建筑在一份具有不同 来源的稳定收入基础之上,特别是这种收入对于世界性大灾难不能过分敏感。成衣商这种职 业当然是一个好的选择,因为无论什么时候人们都得穿衣服!? 中学时,波努瓦的数学与科学成绩在班上相当出色。高中毕业后,由于家庭生活拮据,加上 他不喜欢大城市,于是在家里待了一段时间,没有接着读高等院校。芒德勃罗解释说,这段 时间里他拎着一些破旧而过时的书籍,以他自己的方式学习着,自我猜测着许多事情,做 任何事均不采取理性或者半理性的方式,但这样却培养了自己极大的独立性和自信心。? 当问及一生中何人、何事对他影响最大时,芒德勃罗说,对我影响最大的是我的一个叔叔 [佐列姆]。作为一个杰出的数学家,这位叔叔以矛盾的方式影响着我。对我影响最大的事 件则是本世纪的[战争]灾难,它们不断影响着我接受正规的学校教育。我所受到的教育基 本上是浑沌的。??[4]?? 1929年,当时我5岁,我叔叔佐列姆芒德勃罗伊成为克莱蒙特?弗兰特(Clermont?Ferr and)大学的教授。当我13岁时他升任阿达马的继承人位置,成为巴黎法兰西学院勒贝格(Hen ri L?e??on Lebesgue,1875-1941)的同事。因此,我总是能够分享父辈们生活中以及创 建新数学过程中遇到的许多事情。阿达马、勒贝格、蒙泰尔(Paul Montel,1876-1975)及 当儒瓦(Arnaud Denjoy,1884-1974)都是关系不太远的叔伯。当我还是一个小孩子时,就曾 学着拼写高斯的名字,为我叔叔写的一本书寻找印刷错误。??[4]?? 第二次世界大战爆发了,在纳粹到来之前,全家不得不扔掉一切,只拎了几只箱子,加入难 民潮,一起从巴黎向南涌到逃难的马路上。最后到了土湟(Tulle)镇。芒德勃罗的经历与另 一位浑沌探索者利比查伯(Albert Libchaber,法国实验物理学家,用小盒中的氦对流实验 验证了周期倍化分岔)相仿。利比查伯是波兰犹太人的儿子,战争中也采取了与芒德勃罗相 似的办法得以幸存。??[3]?? 1944年,芒德勃罗以班级第一名的身分通过了法国著名的两校入学考试,被高等师范学 校录取。我20岁时,尽管完全缺乏正式准备,在盛大的法国考试中却表现极佳。我叔叔想 当然地认为我这个有天赋的侄儿准走他的道路,将来搞数学研究。??[4]?这两校指 高等师范学校(Ecole Normale Sup?e??rieure)和综合工科学校(Ecole Polytec hnique),名字在今天听起来,远比不上我们熟知的一堆大学,但却是法国最好的大学,也 属于世界上最有名气的大学。当时这两校每年招生人数极少,考试也出了名地艰难,考试持 续一个月之久。芒德勃罗回忆说,当时他的代数与分析基础并不好,但几何直觉不错,考试 时他总是设法将代数与分析问题化成几何问题,巧妙地将它们解决,他称此为合法性作弊 (cheating)。芒氏虽然考得不错,但他对法国教育中的处处考试、处处打分的习惯表示不 满,他曾嘲笑道:如果法国想取得国际象棋世界冠军,最好的办法也许是在综合工科学校 里讲授国际象棋。? 芒德勃罗与其叔叔佐列姆对数学有完全不同的口味。叔叔佐列姆是一位非常经典的分析学家 ,而波努瓦芒德勃罗更倾向于几何,他称自己为几何学家。叔叔佐列姆认为几何是已死掉 的学科,只对小孩子学数学还有一些意义,人们只有超越它才能取得天才的学术贡献。但是 芒德勃罗不相信这种观念,也不喜欢分析学派的那种高雅风格。? 佐列姆的愿望终于落空了。他始终搞不明白小芒德勃罗究竟出了什么问题,于是对他做什么 不再感兴趣了。不过,他们还是朋友。叔叔佐列姆对芒德勃罗的工作和生活有很大负面影响 。? 早在1914-1918年的时候,芒德勃罗的父亲希望聪明的弟弟佐列姆主修他向往的领域化 学工程(约翰冯诺伊曼的父亲也希望儿子学习化工)。1939-1945年风波过后,父亲担心 弟弟的成功只是侥幸,这次让儿子波努瓦芒德勃罗将来作一名工程师。因为我对所谓的 几何学之死不以为然,又因为我不喜欢以理科作替代,于是接受了父亲的建议,我特别 让自己离数学越远越好。? 由于不喜欢布尔巴基学派(解释见后文)的数学,芒德勃罗在高等师范学校念了没几天,就转 到了综合工科学校。1947年芒德勃罗从法国综合工科学校毕业。1948年获美国加州理工大学 硕士学位;1952年获巴黎大学博士学位。随后几年他不断在几个学科中游荡,先后闯入 过物理学、经济学、生理学、语言学和其他一些似乎毫不相关的学科。他喜欢用intellec tual wanderer(有知识的流浪汉)、wandering around(游荡)等字眼描写自己的学术 生涯和人生经历。? 芒德勃罗的博士学位论文显示了其从事交叉学科研究的才能。论文分两部分,第一部分采用 数学理论研究词汇中字母的分布规律;第二部分研究热力学。将不同学科中的理论有机地组 织一起,用于研究某一个特定问题,这代表着芒德勃罗科学研究工作的特色。? 到美国后,他最先是作为麻省理工学院的一名研究助理(research associate),1958成为约 克郡高地沃森研究中心(T.J.Waston Research Center,IBM的一个研究基地)物理部研究人 员(staff member)。? 芒德勃罗曾在日内瓦大学(1955-1957),法国里尔(Lille)大学及综合工科学校(1957-1958) 任数学讲师。曾任耶鲁大学罗宾逊(Abraham Robinson)数学科学副教授,麻省理工学院经济 学讲师和访问教授及应用数学访问教授,哈佛大学经济学、应用数学与数学访问教授,耶鲁 大学工学访问教授,爱因斯坦医学院生理学访问教授,巴黎沙特(Paris?Sud)大学数学访问 教授。1987年成为耶鲁大学数学教授。? 芒德勃罗因创造了原来根本不存在的分形学科而一举成名。1975年以法文出版《分形对象: 形、机遇与维数》(?Les Objets Fractals:Forme,Hasard et Dimension?),1977年以英 文出版《分形:形、机遇与维数》(?Fractals:Form,Chance and Dimension?),1982年出 版《大自然的分形几何学》。最后一部影响最大,它是分形学科的宣言书,包罗万象,显示 了将分形用于自然现象描述的重要性。到目前为止他一共写过这三部书,后面每一部都是对 前一部的修订和增补,其中相当部分是重写的。他对自己的专著的描述用词是:普及性的 、随笔(Essay)、宣言书、从头到尾都是序言。最后一句是仿达西汤普森 (D?Arcy Thompson,1860-1948),汤普森曾写过一部巨著《论生长与形式》,但汤氏称该书 从头到尾都是序言。? 据初步统计,到1989年底他已经发表了123篇论文,内容极其庞杂,涉及语言学、概率论、 通讯工程、水利学、经济理论、金融分析、布朗运动、湍流、复迭代、宇宙学、临界现象与 相变等等。? 芒德勃罗不是传统意义上的数学家、科学家,他的经历和学术生涯史无前例。1973年以前, 他一直不被各领域的科学家所认同,分形理论诞生后他的政治地位(他自己愿意用 这样的词汇)剧变,成为世界上最有名气的科学家之一。通过因特网(Internet),可以很好 地检验一个人的知名度:用万维网(WWW)浏览器打开Yahoo!检索引擎,输入Mandelbrot 或者fractal,几秒种内便可查到上万条信息。仅从这一点来看,当今世界还没有哪位 科学家如此赫赫有名,即使将他与影视名星放在一起,其知名度也不逊色。? 科学界曾两次为他举行国际范围的祝寿活动,并相应出版了祝寿科学论文集。一次是1989年 在其65岁生日时,纪念文集以《物理学D》(?Physica? D,专门刊登非线性科学方面的论 文)杂志专号出版(1989年第38卷),刊登了他的大幅照片及详细学术经历。另一次是1994年 他70大寿(会议拖到1995年举行),纪念文集由新加坡的《分形》(?Fractals?,1991年创 办的一份关于大自然复杂几何的跨学科学术杂志)杂志专号出版(1995年第3卷第3期)。 对一位科学工作者而言,这是很不容易享受到的荣誉。? 芒德勃罗现为美国艺术与科学院院士,美国国家科学院外籍院士,欧洲艺术、科学与人文学 院院士。他曾荣获巴纳奖章(F.Barnard Medal,1985)、富兰克林奖章(Franklin Medal,1986 )和物理学沃尔夫奖(Wolf Prize,1991),还有其他若干奖励。? 芒德勃罗开创的分形理论近年来十分红火,据阿哈罗尼?(Amnon? Aharony)和费德(Jens F eder)1989年对INSPEC数据库统计,公开发表的分形论文累计数量符合指数规律exp?{(t-1 974)/1.74},其中t?代表年份,这表明每年论文数量以1.8的因子增加。? 〖BT2〗博学成就了事业〖HT〗? 进入20世纪,各门科学早已扬弃了博物学的传统,林耐(Carl von Linn?e??,1707-1778) 、莱伊尔(Charles Lyell,1797-1875)和达尔文(Charles Robert Darwin,1809-1882)的时代 一去不复返了,现在很难找到某人因采用博物学方法而取得重大成功,但芒德勃罗是个极大 的例外,他是现代科学界最大的博物学家(naturalist)。他十分推崇《论生长与形式》(? On Growth and Form)?的作者达西汤普森,这也间接表明他的博物学倾向。? 他的思维方式很特别,喜欢几何是一个特征,此外他更关心数学史和物理学史(杨振宁、李 政道等大科学家也都十分重视科学史)。多数研究人员总是找最新的学术期刊来阅读,以便 能跟上科学技术日新月异的形势。而他专门找一些破旧的、没人翻看的期刊,并且时常注意 一些不起眼的非核心刊物。这是一个成才策略问题。? 芒氏特别重视那些当时非主流的思想,尤其是那些被称作病态的、反直觉的的东西 。医生和律师用各种病例集和案例集来称呼有一个共同题目的实际病例和案例的 汇编。而科学上尚无相应的专门名词,因此我建议也应用范例集这个名词。重要的范例 需倍加注意,而稍次的也应给予评述:通常可利用先例而缩短讨论。??[2]?因此诸 如现在人们熟悉的康托尔(Georg Ferdinand Philip Cantor,1845-1918)三分集、外尔斯特 拉斯(Karl Theodor Wilhelm Weierstrass,1815-1897)不可微曲线、可充满正方形区域的皮 亚诺(Giuseppe Peano,1859-1932)曲线、谢尔宾斯基(Waclaw Sierpinski,1882-1969)地毯 与海绵、柯赫(H.von Koch,1870-1924)雪花曲线等等,都被他视为珍宝。而这些一直被正统 科学视为少数的反例,只是在教学过程中作为一种逻辑可能性偶而提到。在分形如此流行的 今天,本文没有必要一个一个地仔细讲述这些怪物(芒氏视其为宝贝)的具体性质, 从任何一本关于分形的书中都可以容易找到一些例子。? 芒氏把世人的想法正好颠倒过来,他认为别人视为怪物的东西恰恰是最普通的类型;别人视 为想当然的无比美好的点、线、面、体却是例外。长期的观察、收集与总结,使芒德勃罗获 得这样一个印象:除了光滑的欧氏几何(广义的,泛指分形几何以外的标准几何)以外,应该 还有一种不光滑的几何,这种几何更适于描写大自然的本来面目。? 在其代表著《大自然的分形几何学》中,芒德勃罗如是说:为什么几何学常常被说成是 冷酷无情和枯燥乏味的?原因之一在于它无力描写云彩、山岭、海岸线或树木的形状 。云彩不是球体,山岭不是锥体,海岸线不是圆周,树皮并不光滑,闪电更不是沿着直线传 播的。更为一般地,我要指出,自然界的许多图样是如此地不规则和支离破碎,以致与欧几 里得(几何)本书中用这个术语来称呼所有标准的几何学相比,自然界不只具有较高 程度的复杂性,而且拥有完全不同层次上的复杂度。自然界图样的长度,在不同标度下的数 目,在所有实际情况下都是无限的。这些图样的存在,激励着我们去探索那些被欧几里得搁 置在一边,被认为是无形状可言的形状,去研究无定形的形态学。然而数学家蔑视 这种挑战,他们想出种种与我们看得见或感觉到的任何东西都无关的理论,却回避从大自然 提出的问题。??[2]?? 芒氏认为,分形几何学并非20世纪数学的直接应用。它是数学危机的一个晚产的新领域 ,这个危机从雷蒙德(duBois Reymond)1875首次报告外尔斯特拉斯构造的处处连续而不可微 函数就已开始了。这次危机大约延续到1925年,主要的演员是康托尔、皮亚诺、勒贝格和 豪斯多夫(Flix Hausdorff,1868-1942)。这些天才们的工作的影响,远远超出了原定的范围 。他们及其几代后继者都不知道,在他们那些十分返朴归真的创造后面,有着一个趣味盎然 的世界。? 〖BT2〗海岸线:最容易说明的分形〖HT〗? 巴塞罗斯(Anthony Barcellos)采访芒德勃罗时问他:分形实例中你最喜欢哪一个?芒氏 脱口而出:当然是海岸线例子。??[4]?随即他又补充说还有血管分形结构以 及自平方龙(复迭代中的一个例子)等例子。他风趣地讲,实际上他不知道最喜欢哪一个 ,所有那些分形模型都好比他的孩子,他都喜欢,作为父亲因为所有孩子而骄傲,所有孩子 都为这个分形之家添了光彩。一个人可以因为不同的理由爱不同的孩子,但他不可能有真 正绝对的偏爱。? 不管怎么说,海岸线例子还是最容易说清楚的分形实例,芒氏到处演讲,也总是提起它,在 两部专著中也把海岸线问题放在前头讲述。? 1967年芒氏在美国的《科学》杂志上发表长度为两页多一点的报告《英国海岸线有多长?统 计自相似与分数维》,??[23]?列出分维公式?D=-?log?N/?log?r(N),说明海 岸线是一种无标度对象,用不同刻度的尺子去测量此类现象,可以得到完全不同的长度 结果。实际上可以说海岸线有任意长度、无穷长度(当然从物理上看,无标度区间总有一个 下限,在原子层次就不能再谈海岸线问题了)。?这时候长度就不是一个特别合适 的物理量了,它显得有点不客观,而分维?D?则是一个很好的特征量。? 实际上关于海岸线长度测量悖论,在芒氏之前英国著名气象学家里查逊(Lewis Fry Richard son,1881-1953)、波兰著名数学家斯坦因豪斯(H.Steinhaus,1887-1972)和法国著名实验物 理学家、诺贝尔奖获得者佩兰(Jean?Baptiste Perrin,1870-1942)等都有过精彩论述。芒 氏当时似乎只注意到前两人,后来才发现后者有一长串精辟阐述(在1977年、1982年的专著 中芒氏大段引述了佩兰的话)。在《科学》杂志上的这篇文章中,芒氏根据里查逊的数据绘 制了6条海岸线的双对数图,展示了存在6条直线(只有一条略弯曲),这些直线的斜率就 代表海岸线的分维值。? 这篇文章的第二张图示意了如何用几种生成元导出不可求长的(nonrectifiable)的自相 似曲线。后来芒氏用柯赫曲线来说明海岸线问题。80年代后,生成元与L系统理论和计算机 图形学结合起来,引起不小的热潮。? 从这个实例可以看出,分形几何非常直观、简单,比现在任何一种数学都简单几百倍,似乎 没什么了不起。但第一个吃螃蟹的人不容易,第二、第三个吃者也不简单。对于分形几何学 中相当多内容,即使芒氏也不是第一个吃螃蟹的人,但他使吃螃蟹成为了时尚。他做的许多 贡献都是这种性质的,他最终将毫无头绪的杂多综合在一起,创立了分形科学。? 〖BT2〗贯穿始终的一条线索〖HT〗? 除了创立分形几何学这样一个总的题目,芒氏的主要科学成就具体说来主要包括什么?如果 去掉主要两字,罗列一长串也就齐了,但是限制列出几项,考虑起来可不容易。有些现 在看起来重要,可能不久后随着科学的发展又不算什么了,有的现在一般般,但也许以后会 变得重要。无论怎样,作者还是根据自己的粗浅理解初步列出几项:? 1)发现莱维(Paul L?e??vy,1886-1971)稳定分布的重要性,并应用于经济学、布朗运动 、星系分布等领域;? 2)用自相似观点研究噪声与湍流的阵发过程;? 3)[重新]发现?M?集合,推动了复迭代的复兴和计算机图形学的发展;? 4)在前人基础上扩展了维数概念,并使各领域科学家广泛理解;? 5)提出分形概念和多分形(multifractal,也译作多重分形、多标度分形) 思想,为不规则现象、临界现象研究树立了一面新的旗帜;? 6)促进了科学的统一和数学的普及,有力推动了科学与艺术的结合。? 在一般人看来,芒德勃罗的最主要贡献是发明了一种新的几何学。但是仔细研究他曲折的学 术生涯会发现,他首先进入的并不是基础数理科学,而是工程技术(做广义的理解)。他 在工程技术中(或者用中国话来说,在生产实践中)发现问题,总结出带有规律性的东西,进 而将它们上升为一般理论,最终创立分形几何学。这与当前物理学家、数学家改行的顺 序似乎正好相反,现在通常是由基础数理科学转向经济学、社会学和哲学等。? 直到最近人们对芒氏的理解还局限于确定论范式,90年代以后才有一些人注意到芒氏那里还 有随机论范式,并且在芒氏那里两者本来是有机地结合在一起的。? 芒氏本人曾明确说过,如果将来写关于分形方面的专著或者教科书,倒是可以直接从随机变 量、随机函数讲起,而他之所以没有这么做,主要是考虑:首次进入能够极大地吸引读者的 话题,应让读者立即产生几何直觉。无论是研究词频分布、通讯系统的噪声、价格变化,还 是布朗运动、湍流、星系结构,芒氏都用了自相似这一貌似简单的思想。他的思路这这 样的:?? 〖GK2!〗〖HTF〗 自相似性尺度变换下的一种对称性双曲分布非高斯稳定分布巧妙利用了方差为无穷 的病态性质莱维飞行各种应用(海岸线、皮亚诺曲线、门格尔/谢尔宾斯基海绵等) 分维测度分形几何自相似性〖HK〗〖HT〗?? 芒德勃罗曾说:与分形关系最紧密的是双曲概率分布(见《大自然的分形几何学》第38 章)。他最早接触的词频分布与收入分布研究,都涉及这一主题。在我们分析的上述方案中 ,特别突出了目前一般分形著作不太重视的非高斯稳定随机过程。? 芒德勃罗从事的第一个科研实践(实际上仍然理论气十足)是研究通讯中的噪声和词频的分布 ,后来是河水的涨落以及经济学中的收入分布规律。这几项似乎一点不搭边,但它们都指向 一个不变的东西,这个线索如此重要,以至不理解它就无法理解芒德勃罗一生工作的统一性 。这个线索沟通了自然科学中长期存在的确定论描述体系与随机论描述体系,这个线索帮助 人们理解宣言书《大自然的分形几何学》中各个部分之间的内在联系。这个线索的潜在价值 远未开发完毕,它正在成为众多新学科的生长点:如最近对分数布朗运动(FBM)的兴趣,对 莱维飞行(L?e??vy flights)的重新关注,对非高斯稳定随机过程的新认识等等。? 那么这个线索是什么呢?就是从他的老师莱维那里学来的莱维稳定分布(L?e??vy?s stable distributions)。莱维是概率论少有的几位著名的奠基人之一,虽然现在的学生几 乎不知道这个伟大人物了。当年在法国综合工科学校,莱维教过芒德勃罗,芒氏师从莱维学 习基本的数学分析。后来有人问芒氏是否是莱维的学生。芒氏的回答很有趣:不,许多人 后来都声称是莱维的学生,但莱维特别否认他有什么学生。芒氏讲的学生(student) 换成弟子(disciple)大概更恰当些。 ? 芒德勃罗大约在1960年左右真正意识到非高斯型稳定分布的意义,从此他坚定信念,不为外 界各种反对、批评所动,连续将这种思想应用于经济学、流体力学以及天文学。? 在概率论基础奠定之前,钟型误差分布定律就已广为人知,这种分布具有各种想象得出的好 性质,所以被冠以正态分布,也称高斯正态分布。言外之意,不满足这些性质的分布都 不是标准的也许多少有些变态。特别是本世纪初对布朗运动的大量研究,更加深了 人们对这种完美分布的向往。维纳(Norbert Wiener,1894-1964)成功地发展了一套关于布朗 运动的漂亮数学理论。如今人们称布朗运动往往有两种含义,一种指物理上实在的微粒运动 导致的宏观过程,另一种则指维纳的那些纯粹数学。实际上维纳在研究布朗运动随机过程时 所用到的分布只是高斯正态分布。? 数理科学中个别案例使用正态分布导致了空前成功,直接诱导人们将它推广到一切物理现象 ,最终必然影响到社会科学界。在相当长时间里(甚至到现在仍然如此),数理统计工作者言 必称正态分布,在相当程度上正态分布是唯一有用、方便的工具。然而芒德勃罗发现这种流 行观念是错误的。? 〖BT2〗经济学中的稳定分布〖HT〗? 现在查到芒德勃罗一共发表18篇经济学论文(也许会有几篇的出入),主要涉及《经济学季刊 》、《政治经济学杂志》、《计量经济学》、《商业杂志》、《国际经济评论》、《交叉科 学评论》、《运筹学研究》、《经济学与统计学评论》、《经济与社会测度年刊》、《应用 经济学》等,发表时间集中在1959年至1973年。综观芒氏的论文和专著,他只关心一个核心 的经济问题收入分布以及与之有关的价格问题。据他人本讲,他对经济学中的帕累托(V ilfredo Pareto,1848-1923)分布的研究从1957年在哥伦比亚大学和康奈尔大学的时期就开 始了,然后在法国里尔大学和综合工科学校继续了这项工作。1973年以后他义无返顾地离开 了经济学,专心发展分形几何学。与在其他学科一样,经济学界并没有轻易接受他的非 正统观点,但芒德勃罗已经得到自己想得到的东西,他并不在乎经济学界当时能否承认他。 ? 米罗夫基(Philip Mirowski)1995年评论说,芒德勃罗的经济学研究在经济学团体内引起过 两次巨大风波,一次是在60年代末,一次是在80年代末。第一次是因为芒氏的观点攻击了当 时占支配地位的计量经济学和资产定价理论,第二次是因为芒氏在非线性动力学运动中出尽 风头,经济学家受浑沌(chaos)的影响,间接评论了芒氏的早期研究工作。两次反响的主 流都是怀疑芒氏的理论和方法,既使有一些人受芒氏论文的激励,转而注意自己未曾考虑的 方面,也不相信芒氏的理论。? 芒德勃罗最早关注经济学问题是从关于收入分配的帕累托定律(Pareto?s law)开始的,这 个定律的形式颇像他在语言学词频分布中注意到的齐普夫定律( George Kingsley Zipf?s law)。意大利经济学家帕累托曾专门分析过收入分布数据,他发现收入分布具有如下特点: ? ??N=N?0x??-b?,?? ? 其中?N?0是总人口数,x是收呻水平,N是收入不低于x的人口数,b为参数。芒德勃罗后 来将指数b解释为分维数D?。这个公式的含义是,收入水平越高,则收入高于这一水平的人 口越少。现在甚至不清楚帕累托是否用最小二乘法或者别的统计程序实际导出过这个公式, 他当时认定收入分布对于人为干预是不变的。用概率的观点表示,此定律的形式为:? ?? 1-F(u)=?Pr?(U(t)>u)~(u/u?*)??-?~Cu??-?,??? 其中??称帕累托指数,一般介于(1,2)之间,有时也可以达到(4,5)之间。此式与上面 的公式是等价的。芒德勃罗也称?P(u)=?Pr?(U>u)=Fu??-D??类型的分布为双曲分布 (hyperbolic distributions)。? 直到芒德勃罗1960年左右开始将帕累托分布重新用于经济学,此分布在经济学界几乎没什么 影响。他的论文《帕累托?莱维定律与收入分布》、《稳定帕累托随机函数与收入的乘差分 》、《某些推断价格的差分》、《帕累托分布与收入最大化》、《统计经济学的新方法》等 发表后,经济学界不以为然。正统经济学家认为数据拟合得并不佳,并且认为芒氏的理论需 要微观证据。? 芒德勃罗看重的不是数据拟合到何种程度,而是收入分布的长时尾(fat tails)现象在尺度 变换下具有不变性,即个人收入分布、厂商尺度的收入分布和城市尺度的收入分布都具有这 样的尾巴。长时尾现象暗示存在一种非高斯意义上的稳定分布。芒德勃罗熟悉他老 师莱维的工作,立即将它与莱维的稳定分布联系起来。? 简单说来,稳定分布的含义是,多个独立同分布随机变量序列经过适当的线性总和(linear aggregation)后,其分布仍然保持不变。稳定分布是无穷可分的,对应于稳定分布的随机过 程是稳定过程。稳定分布是比正态分布更广泛的一类分布,其中包含了正态分布。标准正态 分布与正态分布都是稳定分布,柯西分布也是一种稳定分布,除此之外还有没有别的重要的 稳定分布呢?这正是芒德勃罗急于思考的。实际上他的老师们已经解决了这个问题,莱维和 弗雷歇(Maurice?Ren?e?? Fr?e??chet,1878-1973)细致地研究过类似问题,指出负 幂律分布就是一种重要的稳定分布(其中指数满足关系?0<b<2?)。芒氏1961年的文章《 稳定帕累托随机函数与收入的乘差分》就是献给综合工科学校的莱维教授的,而1962年的文 章《帕累托分布与收入最大化》则是献给巴黎大学(Sorbonne)的弗雷歇教授的。在芒氏的文 章中,帕累托分布也称帕累托?莱维分布。? 芒德勃罗的经济模型中具有尺度变换下的不变性,他认为这十分关键,仅仅凭这一点就 值得认真研究。他认为负幂律分布是除了高斯正态稳定分布外最简单、最值得考虑的一种稳 定分布。它就像玻意耳(Boyle)的气体模型一样,可能与实际有些差别,但它是一种重要类 型,一种简单的理想情况,只有研究清楚了这种理想情况,才能推而广之从而考虑更复杂的 情形。正如我们不能说理想气体(perfect gas)模型没有价值一样,也不能说帕累托?莱维 分布过于理想化而没有实用价值一样。从这种意义上看,经济学界对他的反驳其实均不构成 威胁。芒德勃罗是从逻辑分类的角度、从数学可能性的角度思考问题的,其模型撇开经验事 实仍然具有理论价值。实际上1963年洛仑兹(Edward Lorenz,1917- )的《确定性非周期流》 一文(在非线性科学史上具有重要地位)也具有此性质,洛仑兹方程只是大气运动的一种极度 的理论抽象和简化,它甚至可以与实际的大气运动无关,但仍然具有重要理论意义和间接的 实际意义。也正因为如此,芒德勃罗与洛仑兹的理想模型的应用也就不限于什么经济学或者 气象学,而具有普遍性,可以扩展到相当多的学科。芒德勃罗实际上也是这样做的,他不久 后就将莱维稳定过程用于湍流研究,特别强调了莱维飞行,现在看来他的确是先行者, 历史将公正地记录下他的先驱性工作。? 以棉花价格波动为例来讲,芒德勃罗的理论的特点在于,它不是考虑在某一个特定层次产生 价格变动的规律,而是跨越层次,寻求尺度变换下的不变性。棉花价格是一种理想的数据源 ,经济学家对其变动的传统看法是,短期变化与长期变化没有关联,由快涨落导致的瞬间价 格变化是随机的,而长期的价格波动是由于显然的宏观经济形势和战争之类重要事件决定的 。因此传统经济学处理此问题的办法是,在确定性的过程中加上随机的噪声。芒德勃罗却把 不同层次统一起来,发现日变化曲线与月变化曲线的一致性。对于股票价格,他也作了类似 的分析。这未必是最好的理论方法,但至少是一种可能的理论方法,而以前人们确实忽视了 它。但经济学界由于长期习惯于自己那一套思路,对芒氏的做法自然有反感,攻击他的最好 办法就是指出其曲线拟合不理想。? 在研究股票价格变化时,芒氏极力反对价格连续变化的模型,认为这种照搬牛顿力学于 经济学不济于事。在经济系统中,小的连续变化可以引起突然的不连续变化。基于这种考虑 他否定了滤波预测方案和各种人为凑出高斯分布的办法。在经济学研究中他提出了标度原理 (scaling principle)。? 设?X(t)为价格,?log?X(t)是独立增量过程,即?log?X(t+d)-?log?X(t)具有独立于 d的分布,其中只需引入一个标度因子。芒氏立即想用此模型得出一些有意义的结果,但首 先要面对的是这种模型的奇怪性质(实际上这竟是他所期望的)。芒氏大胆地假设?log?X(t +d)-?log?X(t)具有无穷方差!他第一次用符号V表示方差。以前人们想当然地假设方 差是有限量,发散的情况根本不予考虑,也不应该考虑。用芒氏语言讲,人们似乎患了无 穷方差综合症。具有反叛色彩的芒氏假定V=自有他的考虑:不用说,假定V=的成功 后果是,我就很容易使曲线具有无穷长度、曲面具有无穷面积。(第37章)于是后来提到的 英国海岸线长度、皮亚诺曲线填充、柯赫雪花曲线长度等问题都有了理论基础,当然其 他思想渊源也曾帮助他得到了那些结果。但作者认为,海岸线问题是后来的事。那时他已经 有了基本结论,他不断翻阅数学故纸堆,也不断发现一些阐述得更佳的论述,但这些新 发现的材料当初对于他形成基本的分形思想并未产生影响。在撰写专著时,他当然要重新规 划,以一种更直接、更通俗、更符合逻辑顺序(发现过程并不符合通常的逻辑)的方式叙述出 来,甚至更多的是考虑读者的反应。?? 到了80年代经济学界受非线性动力学的影响不得不对芒氏的早期研究作出评价,在此之前 克拉克(P.Clark)的博士论文以及后来的自回归条件异方差(ARCH)、广义自回归条件异方差( GARCH)模型回避了芒德勃罗开创的路线,仍然假设噪声服从于一种基本的高斯分布,但有一 个变化的二阶矩。他们的文章引用了芒氏的假设,但设法避免那类假设。但这种处理方法仍 然没有逃出分数阶自回归滑动平均(ARIMA)的套路。到后来,许多经济学家更多地采用GP关 联积分算法(Grassberger?Procaccia两人提出的)求时间序列的分维数,用BDS统计(Brock ?Dechert?Scheinkman三人在关联积分的基础上发明的)检查经济系统中是否存在非线性结 构。但是正如米诺夫基指出的,经济学界的这些人物并没有认真吸收芒德勃罗的思想,而是 应付、回避矛盾,他们既排斥莱维稳定分布也排斥浑沌。芒德勃罗早已摒弃了不是决定论 就是随机论的两极化选择,他认为经济现象比较复杂,应当用更精致的随机过程或者浑沌 动力学描述,应当放弃牛顿经典力学的套路,由原子运动推出一切。本质上在经济学问题上 芒德勃罗采用的是一种类似统计物理/热力学的现象学的方法,这一性质还未被经济学界深 入理解。? 当芒德勃罗离开经济学时,他得到了什么?他似乎高兴地带走了价格变动的自相似观点、标 度律的观点,以及一种似乎无人注意但有着各种潜在应用价值的莱维稳定分布。 〖BT2〗布朗运动与莱维飞行〖HT〗? 1785年荷兰医生英根豪茨(Jan Ingenhausz,1730-1799)首次报告了布朗运动,他发现花粉 颗粒在酒精溶液表面运动。但这种现象被冠以布朗(Robert Brown,1773-1858)这个名字。布 朗1828年发表了他的更细致的观察和研究。这种现象直到1905年,才由伟大的爱因斯坦(Alb ert Einstein,1879-1955)用分子运动论一举阐述清楚,布朗运动是由于流体分子热运动不 断撞击微小颗粒造成的宏观现象。? 实际上1900年在法国,庞加莱的一个名叫巴歇列(Louis Bachelier,1870-1946)的学生, 在其论文中就已经发展了一种布朗运动理论,只因为他的论文是关于股票市场涨落问题的, 未引起物理学家的注意。巴歇利引入了今日称作查普曼?柯尔莫哥洛夫链的方程,并导出了 随机过程的扩散方程,指出概率可以像热一样扩散。由于巴歇利的论文不为数理学界所知, 它对后来布朗运动的物理学没有产生直接影响。巴歇利研究的经济问题中没有摩擦、没有斯 托克斯定律,也没有阿弗伽德罗(Amedeo Avogadro,1776-1856)常数。芒德勃罗在1977年出 版的专著《分形:形、机遇与维数》中,特别以很多的篇幅描述了巴歇利的简历和研究成就 ,虽说芒德勃罗极擅长从旧纸堆中挖掘一些没有注意的古怪东西,但用如此长的篇幅还 不多见。? 爱因斯坦的著名论文《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》1905年发表在《 物理学杂志》。??[31]?爱因斯坦预测,布朗粒子随机行走(random walk)均方位移( mean squared displacement)随时间线性增长,乘以一个与阿佛加得罗常数有关的因子:? ?x= 2Dt ,用现在的符号表示则有〈x?2(t)〉=2Dt?。1908年这一结果立即被 佩兰用来测定阿佛加德罗常数,进而为原子的存在性提供了重要证据。佩兰1926年荣获 诺贝尔物理学奖。从那时起,布朗运动成为重要的研究对象。? 但是问题并没有彻底解决,或者说研究才刚刚开始。从数学上看,布朗运动涉及许多艰深的 内容。对于离散布朗轨迹,可以在固定步长的格子上研究简单的随机行走,但对于连续情形 却遇到了严重的困难:布朗粒子运动路径处处不可微,粒子的速度无法定义。这时已有了勒 贝格的测度理论,而又恰好出现了一个伟大的人物维纳,他抓住这个时机(大约于1921 年),利用测度理论,发展了一整套漂亮的随机过程理论,后来称之为维纳过程或者布朗运 动。芒德勃罗早就把布朗运动视为分形的一个典型,并将布朗运动轨迹视为二维分形。? 维纳开创的布朗运动数学,已成为概率论的一个经典范式(paradigm)。后来柯尔莫哥洛夫 (A.N.Kolmogorov,1903-1987)于1931年奠定了概率论的基础,日本学者伊藤清(It?o??) 又发展了维纳的理论,提出随机积分等概念。? 1968年芒氏与尼斯(J.W.van Ness)合作发表了一篇重要论文《分数布朗运动、分数噪声及应 用》,1969年与瓦利斯(J.R.Wallis)合作发表论文《带有分数高斯噪声的计算机实验》,19 71年发表论文《一种快速的分数高斯噪声发生器》等。实际上芒氏所使用的若干新工具、新 方法,早在这之前他就十分熟悉了,已经在通讯工程和经济学领域部分尝试过。? 芒氏1968年的文章通过引入了记忆推广了布朗运动,分形布朗运动的概率分布为? ?? p(x,t)= 1 2?2(t) ?exp? -x?2 ??? 其中??2(t)=t??2H?,H的取值范围一般限制在(1,1/2)之间。当H=1/2时,正好对应 于布朗运动。这一推广意味着随机行走的均方位移随t??2H?而增加。当H较小时扩散较慢 ,当H较大时扩散较快。在湍流中H可以取非常大的值。? 如果随机行走发生在分形体上(如逾渗(?percolation?)格子),则运动行为不同于一般的 布朗运动,运动由于空间背景的不同可以时快时慢,表现出不均匀跳跃。H的取值可以分成 两类,当H小于1/2时,均方根位移慢于线性增长,当H大于1/2时,均方根位移快于线性增长 。其中后者非常有趣,涉及著名的莱维飞行。?? 布朗运动的基本思想是随机行走,所使用的基本数学是高斯正态分布,随机行走者?t时间 后的位置分布是高斯型的,方差正比于时间。对于一维的N步随机行走,每一步的步长x是一 随机变量,其概率分布为p(x),具有0均值。法国数学家莱维提出这样的问题:什么时候N 步的总和的分布仍然具有与单步相似的(乘以一个标度因子)分布?这等于问,整体与部分何 时有相似性,因而很自然与分形有关。对此问题通常的想当然的回答是高斯过程,因为N步 高斯分布加起来仍然是高斯分布。但是莱维一般地证明了,此问题还有其他解。?? 早在1853年柯西(Augustin?Louis Cauchy,1789-1857)就认识到对于?N?步可加(也叫稳定 )随机过程,除了高斯分布作为其显然解外,还存在其他可能的解。当把?x?实空间变换为 傅里叶(Jean?Baptiste?Joseph Fourier,1768-1830)?k?空间时,可加过程的可能概率 分布为??[18]?? ?? ?N(k)=?exp?(-N|k|?).??? 当?等于1时,便得到柯西分布,等于2时对应于高斯分布。如今上式称为莱维概率分布 。? 应当说明的是,广义的莱维稳定过程(s?D?1+s?D?2=s?D,s?1X?1+s?2X?2=sX+常 数),仅对三种极特殊的情况,可以解析地求出稳定概率分布。当x的绝对值很大时,返回到 实x空间,p(x)可以用|x|??-1-?来近似。当小于2时,显然p(x)?的二阶矩无穷大 。这意味着除了在高斯情形中,随机行走(飞行)没有特征尺度。正是这一性质决定此类随机 行走是标度不变的分形。这种随机行走好的性质在于自相似;坏的性质在于具有无穷矩(inf inite moments),于是均方位移发散。? 矩发散长期以来被认为是一个致命缺点,物理学家不愿意看到发散性。只是由于芒德勃罗的 大力鼓吹,莱维的思想才一点一点被物理学界所理解,90年代中期莱维飞行成了时髦的 研究课题。在早些时候,在鼓吹、传播莱维不变分布方面,芒德勃罗当然是唯一的代表人物 ,这一点应特别提及。? 莱维飞行的轨线是典型的分形,虽然不是处处不可微,但跳跃的步长可以变化。经过一番处 理,均方位移的发散性可以回避掉。特别地,一个随机变量?X?具有无穷方差,并不能否 定?X?以概率1取有限值。例如柯西密度?1/[(1+x?2)]?变量几乎总是有限的,但它 具有无穷方差和无穷期望。莱维飞行的宏观轨迹是一系列折线或者孤立的康托尔尘埃点集。 一般情况下不考虑粒子在两个端点之间飞行的中间过程,如果考虑两次跳跃之间具有某种速 度,这种过程又叫作莱维行走(L?e??vy walk)。人们可以问在不同的飞行片段中,在时 间?t?粒子的飞行速度是多少,这一定是某个与时间有关的有限值。但是平均飞跃状况是 发散的。 ? 从1977年的《分形》一书可以看出,芒德勃罗已经自如地将莱维飞行运用于各种场合, 包括布朗运动、分形集团和星际物质分布,并且给出占7页篇幅的图形说明。遗憾的是,科 学界直到90年代才认识到这部分工作的重要性。? 〖BT2〗阵发湍流〖HT〗? 芒德勃罗关于流体湍流问题的研究始于对经济学的研究之后,1963年秋季他在哈佛大学听了 斯图尔特(Robert Stewart)的一次讲座,了解到流体力学研究中讨论阵发(间歇)(intermitt ency)现象,同时知道了苏联学派关于湍流研究的一些最新结果,如柯尔莫哥洛夫1941年与19 61-1962年两个阶段的创造性工作。芒德勃罗立即有一种冲动:试图转向湍流研究。他觉得 这些观念对于自己并不算新鲜事,大约10年前自己在研究通讯噪声时,就碰到过类似的现象 。他认为湍流中的许多问题与分形有关(当时还没有分形这个概念)。他迫不急待地想把 自己在其他领域做的工作翻译成流体力学的语言。? 众所周知,湍流是困扰科学家百年之久的老大难问题。流体运动显然满足纳维叶?斯托克斯 (Navier?Stokes)方程,但这无济于事,这个方程根本无法求解。多少年来人们从解析的角 度做了各种努力,均未获重大进展。芒德勃罗则是从几何形状入手的,他声称自己不断观察 关于湍流的绘画、照片,考察湍流的速度记录,甚至倾听湍流(将数据转化成音频信号),还 用功率谱等手段测量湍流,以获得基本的几何直觉。利用自己对其他奇异性问题研究的经验 ,他形成了一些猜想,但并不能证明它们。直到1967年他才发表关于湍流的文章《偶发湍流 》(Sporadic turbulence),1968年发表《论阵发自由湍流》(On intermittent free turbu lence),1972年发表《有关阵发湍流能量耗散的对数正则假设的可能细化》,1974年发表《 自相似级联阵发湍流、高阶矩的发散性与载体的维数》,1975年发表《论各向同性湍流》, 1976年发表《阵发湍流与分维》,1977年发表《分形与湍流:吸引子与弥散》等。? 芒德勃罗对湍流的研究不是从基本方程入手进行严格数学分析,而是从宏观上、从几何角度 观察,先获得几何直觉,构造核心概念,再一层一层作定性分析。这一思路是将自相似技 术应用于湍流的几何学。芒氏明显地受柯尔莫哥洛夫1941年文章风格的影响,他说:方 程(指欧拉方程和纳维叶?斯托克斯方程)并没有帮助我们理解柯尔莫哥洛夫,同时柯尔莫哥 洛夫也没有帮助我们解方程。? 芒氏首先从湍流级联(cascade,也译级串)中的自相似出发,在这方面著名气象学家里查逊 仍然走在前面。1926年里查逊就引入了与级联有关的旋涡等级层次(hierarchy of eddies) 的概念。1941年哥尔莫哥洛夫、奥布科夫(A.M.Obukhov)、翁萨格(Onsager)和魏扎克(von W eiz?a??cker)沿此路线作出重大贡献,不过一般情况下这一组研究只冠以柯尔莫哥洛夫 的名字。? 芒氏作出湍流运动的奇异性本质上是分形的重要猜想。从其它方程导出的已知的奇异性 不足够以解释直观上我们看到的湍流的特征,于是他猜测:基本方程的湍流解,一定牵涉到 新的类型的奇异性,并且可能就是分形。特别地,他说:纳维叶?斯托克斯方程的解如果 存在,就是事实上的极限分形。他进而猜想,欧拉方程解的奇异性,也是实际上的分形。 这样一来他发展的分维概念就有了用武之地。直观上看,纳维?斯托克斯方程的解要比欧拉 方程的解光滑些、少些奇异性,于是可以猜测欧拉方程的解的维数比较大一些。芒氏承认, 证明这些猜想,都远远超出了他的解析能力。实际上对于微分方程也是如此,以前人们只知 道不动点、极限环和极限环面(torus),经过浑沌的洗礼,才知道还有另一种非周期定态运 动。当时芒德勃罗直觉上猜测流体方程应当具有新的奇异性,的确是一个创见。? 在研究湍流阵发现象时,他贯彻了自相似教义,提出了一个有趣的新概念乳凝(cur dling),与它对应的一个词是乳清(whey)。乳凝和乳清随机地混合在一起,构 成复杂的结构,类似于康托尔集合、谢尔宾斯基海绵。芒氏特别强调,对乳凝这个词不 要作字面上的理解,但是考虑到乳凝外面的空间包围着乳清,倒是有助于理解问题 。芒氏形成这样的概念,大概受到诺维克夫(E.A.Novikov)和斯图尔特(R.W.Stewart)1964年 论文《湍流的阵发性与能量耗散涨落的谱》(原文为俄文)的影响,也受到霍伊耳(F.Hoyle)1 953年和1975年关于星系团等级层次模型的影响。? 芒氏解释说,诺维克夫与斯图尔特合写的文章的核心假设是,阵发性是由级联导致的,在每 一阶段能量都从一个旋涡(eddy)集中或者乳凝(作动词用)到?N?个次级子旋涡(su beddies),旋涡的比例为?r,于是有如下分维公式D=?log?N/?log?(1/r)?。对于宇宙 学D一般小于2,但对于流体湍流D大于2。在1977年的专著《分形》中,芒氏用四页插图表现 随机乳凝(random curdling)结构,用以形象地说明流体湍流耗散的一般过程。? 经过?m次级联耗散后,能量均匀分布在第m层次的??mD?个子涡旋上。在三维空间上 一共有??3m??个子涡旋。当级联无限进行下去时,耗散的极限分布均匀地散布在一个 维数小于3的分形乳凝(作名词用)上。芒德勃罗将这种湍流称为分形各向同性湍流( fractally homogeneous turbulence)。? 利用这种思想芒氏于1976年将柯尔莫哥洛夫的5/3指数改写为?5/3+B,其中B=(3-D)/3?。 ? 芒氏特别研究了乳凝与乳清的结构关系,这时他用到了物理学中非常重要的概念逾渗和 逾渗壶(percolator)。逾渗壶就是一组自相似的集团(cluster),而集团是由联通的乳凝组 成的。芒氏1974年将简单的乳凝(?1/r和N?都取整数的情况)分解过程称为正则乳凝(canon ical curdling),后来又考虑令?N可以随机变化,对应于每一层次有一个随机数U,再规定 一个概率阈值p,当U大于p时子旋涡湮灭成为乳清,当U小于p时子旋涡存活为乳凝。当p小于 1/r?3时,所有过程都死掉,于是D为0,对于其他情况有非零概率,过程收敛到一个维数为 D=3-?log?p/?log?r的分形上。此模型的好处在于D?可以在0和3之间变化。? 法国尼斯天文台的弗里茨(Uriel Frisch)教授1995年在专著《湍流:柯尔莫哥洛夫的遗产》 中高度评价了芒德勃罗关于阵发湍流的思想,实际上弗氏是较早就认识到芒氏思想重要性的 少数人之一。1974年克莱茨南(R.H.Kraichnan)纠正了随机级联模型的一个概念错误,用速 度增量和能量流这些惯性物理量代替了耗散量,使得诺维克夫?斯图尔特模型发展为?? 模型。弗里茨在??模型中讲述了芒氏的自相似级联思想。结合柯尔莫哥洛夫1941年的论 文,可以导出速度关系? ??v?l~v?0 l/l?0 ?? 1 - 3-D ?.??? 芒德勃罗、弗里茨、帕里西(Giorgio Parisi,罗马大学)等提出的多[重]分形概念对 于阵发湍流研究具有重要意义,但是多分形模型的现象学表示有两个缺点:第一,它假定存 在奇异性,第二,它没有区分正负速度增量。弗里茨从概率的观点重构了多分形模型,克服 了这两个缺点。概率意义上的多分形标度性,并不要求在个体层次上实现任何分形结构。从 这个意义上看,湍流的分形或者多分形描述更多地体现着概率含义,离精细尺度的几何特征 则越来越远,虽然起初是从几何入手的。不过,进入90年代中期,达芬奇(Leonardo da V inci,1452-1519)式的湍流又成为研究的焦点,科学家们开始考虑极细小尺度上(到了柯尔莫 哥洛夫尺度的量级)的非平庸的几何结构,特别关注涡丝(vortex filaments)的形成以及对 于流体动力学和统计特征的影响。? 〖BT2〗对布尔巴基学派的态度〖HT〗? 芒德勃罗一生做了各种各样的研究,涉猎语言学、通讯工程、热力学、经济学、湍流、布朗 运动、复迭代等等,在他的工作中数学与其他学科是自然结合在一起的。如果说他是什么什 么家的话,他首先是科学博物学家,因为他善于从科学史中发现有价值的东西,将一些 孤立的、只言片语的深刻洞见联系起来。他的几乎每一样贡献都很容易找到一系列前身,对 此人们有两种不同的看法,一种观点认为芒德勃罗没什么了不起,只不过自己造了分形 这个词而已;另一种观点截然相反,认为他的创造是伟大的综合,是任何人所无法替代的, 分形体现的并不只是一个普通名词,它统摄了科学界各学科呼唤已久的内在声音。无疑 本文作者持后一种见解。? 芒德勃罗以几何方式思考问题,这句话有两方面的含义,一种是他以数学上的几何学方式思 考,另一种则带有若干贬义:以直观的、从形状出发的、不严格的方式思考。对于芒氏,应 该说两方面的含义都有,他本人也不讳言。他常常津津乐道地讲自己以图形的方式思考问题 的好处,当年考巴黎高等师范学校时以几何方式做弊就是一例。另外芒氏不止一次公开 反对布尔巴基学派的数学风格。? 布尔巴基(Nicolas Bourbaki)是一群主要来自法国高等师范学校的数学家的笔名。关于这个 名字的来历有多种说法,总之是人为编造出来的。这个学派作为一个集体在20世纪的数学界 可谓影响甚大。此学派的先驱人物主要有三位:康托尔、希尔伯特(David Hilbert,1862-19 43)和诺特(Emmy Noether,1882-1935)。第一位为他们提供了集合论,第二位提供了公理化 方法,第三位则提供了抽象代数。1934年冬天高等师范学校的一伙毕业生商定第二年7月在 一家饭店召开布尔巴基成立大会。成立初期活跃人物主要有:维尔(Andr?e?? Weil,1906 -)、迪多内(Jean Alexandre Dieudonn?e??,1906-),迪尔萨特(Jean Delsarte,1903-)、 卡当(Henri Cartan,1904-)、切瓦利(Claude Chevalley,1909-)等。可以看出他们年纪相差 不多。这些年青人经常聚会,在一起讨论纯粹数学。30年代他们计划撰写一部纯数学专著, 从基本原理出发,按严格逻辑发展进行形式构造。1939年以布尔巴基为名的第一部《数 学原理》(?Elements de Mathematique?)出版,一直出版到1980年,产生了很大影响。有 关布尔巴基的详情可以参阅胡作玄编著的《布尔巴基学派的兴衰:现代数学发展的一条主线 》。??[33]? ? 公正地评价,此学派为数学的严格化、体系化、结构化发展作出了重要贡献,该学派中有三 人施瓦兹(Laurent Schwartz,1915- ,是上文提到的概率论大师保罗莱维的女婿)、谢利( Jean?Pierre Serre,1926- )和格罗申迪克(Abxander Grothendieck,1928- )曾获菲尔兹奖 ,还有两人维尔和卡当荣获沃尔夫奖,这说明其数学成就是举世公认的。? 既使如此,布尔巴基也不是没有缺陷。从当前趋势看,这个学派已光荣地完成了其历史使命 ,已走向衰落。这个学派过分强调逻辑而贬低几何直觉,一直受到一些人士的反对,年青的 芒德勃罗受不了他们那一套,离他们远远的。1985年有人问芒勃罗:你提到你不喜欢布尔 巴基对待数学的那种反几何的方法。你认为布尔巴基的影响对于接受你的分形方法是否设置 了重要障碍?芒氏回答说:1945年当我离开高师的时候的确是这样,另一次是1958年我 离开法国时。在这之后就没有了。他们不能阻止我做我自己的事情。多少年来我的许多听众 深受他的影响,但并不知道他们的存在。? 芒氏认为布尔巴基试图为数学大厦打下一个基础,但它像浪漫王子梦中的城堡一样,从未完 工,他们的宏篇巨著也远未实现他们声称的目标,并没有成为数学的普适标准。所谓30年河 东30年河西一点不假。在数学界摆锤开始从一个极端摆回到一个更合理的位置。芒氏说: 如果我再早一点推出我们分形几何,布尔巴基也许会成为一个重大障碍。但是现在他们最多 能在巴黎开一个研讨会。某种意义上,我或许能从批驳他们的傲慢中获得好处。? 当分形几何学流行起来时,形势也变得突然,芒德勃罗骄傲地指出:布尔巴基现任领导人 之一的道阿迪(Adrien Douady,1935- )用了最后的几年时间发展了我所开创的复迭代思想 ,欢迎他总是件好事情。在80年代初,道阿迪确实帮了芒德勃罗一个大忙:他就芒德 勃罗提出的?M?集合的连通性与自己从前的两个学生合作,作了严格的数学分析,得到了 一批深刻的数学结果,直接促进了复迭代深入发展。? 但是这个问题还可以从另一个角度去看。布尔巴基学派起初都来源于朱丽亚(Gaston Julia ,1893-1978,在战争中他的鼻子受伤,从照片上可以看到他鼻部带着一个特制的面具)在高 师办的讨论班,无疑朱丽亚可算作布尔巴基的祖师爷,而复迭代基本上是由朱丽亚开创的。 芒德勃罗只是在70年代末才重新碰到这个问题,大张旗鼓地研究起迭代来,并将它与分形联 系在一起。因些也可以说芒德勃罗皈依了布尔巴基传统。客观的看法也许是,数学的各个分 支是内在联系的,发展总有个先后,物极必返,一种方法、一个问题的流行均有一定的时代 规律性。芒氏与道阿迪两个对立学派都来研究复迭代,说明几何方法与分析方法没有本质的 不同(代数、几何与分析历来是数学的相互统一的三大块),在计算机的帮助下可以走到一起 来,这是本世纪80年代以来出现的盛事。? 在对道阿迪进行表扬的同时,芒德勃罗严厉批评了大数学家迪多内:布尔巴基的奠基人之 一迪多内,关于数学的意义发表了大量极端错误的言论。比如他认为皮亚诺曲线是反直 觉的,只有用逻辑才能理解它,用直觉是不可能理解其性质的。这完全错了。今天皮亚诺曲 线被视为完全直观的,因为我的工作使得它如此。我有这样一种感觉,迪多内并没有敌意, 只是有趣。? 对于布尔巴基的全面评价涉及数学的建设以及数学教育的开展,是个很严肃的话题。最后引 马季芳为《今日数学:随笔十二篇》所写的译后记中的一段话:美国自50年代末到70年代 初,花了20年功夫大搞新数学运动不幸,改革的指导思想全部采用布尔巴基学派的 主张,过分强调抽象理论的重要性,排斥一切实际应用,全部新教材中竟没有一道应用题。 结果事与愿违,学生的数学成绩普遍降低。美国数学界受此打击,痛定思痛补救之 道,在于数学家不应孤芳自赏,必须面向群众,用生动活泼的语言,讲述本学科的性质、发 展,及其在自然科学和社会科学各方面的广泛应用,借以增进世人对数学的了解和兴趣。 ? 〖BT2〗自我推销〖HT〗? 芒德勃罗始终生活、工作在逆境中,在70年代中期以前,世界上没有几个人知道他,更谈不 上真正理解他了。他几乎是打一枪换一个地方,在不同学科中窜来窜去,哪一个学科似乎也 没有特别注意他。维纳在《人有人的用途》中两次提到他算是个例外,维纳那时搞的控制 论(Cybernetics)也是新鲜事物,理解的人也不多。? 芒德勃罗发表了许多论文,但他回忆说,当初发表每一篇都十分艰难。他不断投稿,审稿人 对文章的批评毫不留情面(那时他没有名气),稿件被一次次退回。关于星系结构的论文始终 难以发表,我关于星系的工作在别人知道它之前是不可接受的,而在它成为可接受的之前 ,人们又不知道它。发表出来的也做了一些修改,特别是编辑命令他删除可疑的哲学 (dubious philosophy)部分。? 在写作风格上,芒氏后来坦率地承认,他不得不装成某个领域的内行的样子,在论文中故意 加进一大堆数学公式和推演细节。虽然也不是特别成功,因为他始终带有极强的异国口音 (foreign accent),但是这种办法对于把我的论文发表在一些好的学术杂志是必要的和 充分的。? 芒德勃罗把科学界对他的学说的态度分成四个阶段:在第一阶段,人们总是问:你是谁?你 为什么对我们的领域感兴趣?第二阶段则是:这与我们所做的有什么联系?你为什么不用我们 所知道知识来作解释呢?第三个阶段是:你能保证这是标准的数学吗?我们怎么不知道?第四 阶段是:这些领域的数学家怎样评价你的工作?芒氏对后两个问题的回答是:我能保证这 是标准的数学。只是人们很少知道。他们无所谓,因为我的工作并没有增加什么数学。? 1964年他参加了在耶路撒冷举行的逻辑学与科学哲学大会,在会上作了尝试性的分形 宣言(tentative fractal manifesto)的报告,可惜没有正式发表出来。到了70年代初芒 德勃罗手边已经积累了不少发表的和退回的稿子,据说已经堆成了堆(90年代时他不断地抽 出一些略加修改就发表了)。? 芒德勃罗一直在思考着,当今学科分化严重,学科壁垒森严,像他这样东一榔头西一扫帚, 在不同学科进进出出的,很难站稳脚根,别人不会承认自己。如果要生存下去,就不能与正 统对着干。短期策略是,要取得别人的信任,尽量隐藏自己的真正意图,争取多发表一些论 文,审稿人和编辑希望怎样修改,自己就怎样修改。而长期战略是,要学会自我推销,最终 建立自己是教皇(Pope)的一块阵地:即创立一个属于自己的新学科。? 1973年芒德勃罗终于找到了一个绝好的机会。这一年他到巴黎去休假,此时他叔叔佐列姆已 经退休,正好可以邀请他在法兰西学院(Coll?e??ge de France)作一场重要的报告。这 对于自己发表一篇一般性宣言以及解释清楚自己多种不同兴趣的内在统一性,是一个黄金时 机。他作了精心准备,在准备过程中他发现自己的整套工作比以前自己所知道的更完备、 更协调了。讲座在1973年1月进行,极其成功,一个朋友告诉他,这是他听到过的最具自传 色彩的科学讲演。芒氏回忆说:我受到好多赞扬,会上根本没有敌意,这使我认识到我多 年的荒野生涯行将结束了。为了概括我的统一方法,不久我就造了分形(fractal)这个 词,并把这次的巴黎演讲的内容扩充为一本法文书,这部书1975年出版,不久后又稍作修改 出了第二版。? 直到1973-1975年,他才改变了自己的政治地位,此前在所有领域他都是局外人,他的 地位和声音都不容许宣布自己的哲学和他的交叉科学方法。1977年的这本法文书标志着我 从零敲碎打方法到现在的统一方法的转变,不久分形几何学就变得很有组织了。我的生活方 式也深深地发生了变化。你们可以说,我已变成了我的创造物的奴隶。? 这之后芒德勃罗变得似乎有些狂妄。他写文章和书充满了第一人称,他常用我宣布、 我认为、我发现了、我运用了、我认定、我证明、我命名、在我 漫游我自己新开创的、新开发的学术领地里,我时常行使对新领域中的路标进行命名的权力 。著名科学史家柯恩(I.Bernard Cohen)在《科学革命史》一书中指出,他与自己的学生 以及同事进行了长达15年的调研,发现用革命词句描述自己成就的科学家并不多,一共 只发现10多位,他在书中列出了16位,其中芒德勃罗就是第16位。? 无疑,许多人不欣赏他这种文风,所以在他成名后许多人公开反对他也就不奇怪了。? 对于纯粹数学家来说,芒德勃罗并非数学家。在他的成就达到最高峰时,他甚至遭到一些同 事的辱骂。有人认为芒德勃罗关于自己在科学史上的地位的说法简单是神经病,他们说芒德 勃罗向别人述说的贡献,纯系吓唬人,耸人听闻。? 这也难怪,芒氏经过曲折的道路,终于取得社会的承认,他急于让世人欣赏他的成就,急不 可待地希望别人都知道他第一个发现了什么、第一个采用什么方法得到了什么结果。格莱克 (James Gleick)说:他甚至会写信给一些写了分形方面论文的作者,责问人家为什么不引 用他的文章与他所写的书!芒氏的一位朋友里希特(P.H.Richter)替他辩解道:他一生坎 坷,与别的数学家很难相处,为了生存下去,他必须采用这种战略,不断鼓吹他的自我。如 果他不这样做,如果他不这样自信,他就永远不会这样成功。? 看芒德勃罗的论文和专著,会注意到他大量引用前人的工作,他自己声称善于在数学垃圾筒 和故纸堆中找金子。但一些人并没有因此而表扬他,反而说他经常引用一些名不见经传、多 半已经安全地死去了的人物,为的是突出他自己,以使他自己成为学术领域的中心人物 。有人甚至怀着嘲笑的语气说,他只会从一个领域拿来一些东西,当成他自己的,然后贩卖 到另一个领域。有人一面吸收着芒德勃罗的思想,一面尽力避免使用分形与分维这 样的词汇,故意用豪斯多夫?贝塞克维奇维数(Hausdoff?Besicovitch dimension)等 等。当然大多数科学家还是能够充分理解芒德勃罗的,他们考虑芒氏曾克服的重重困难,便 原谅了他的强烈个性。毕竟科学就是科学,看的是科学内容而不是当事人的人品和个性。由 于不喜欢一个人的个性而不喜欢他的实实在在的有价值的科学工作,是不明智的,到头来也 证明是个性偏执的。? 对于芒德勃罗的风格,数学界还有一个反感。纯数学家认为他只是到处宣布一些猜测,而不 是下力气去严格证明它们。发现周期倍分岔普适常数的费根鲍姆(Mitchell Feigenbaum,194 5- )也遇到过这种情况,有位数学家指责他是讲数字呢还是讲严格证明。这是数学家与物 理学家之间的一个老矛盾了,不过现在由于计算机大量用于科学研究,此问题显得更加突出 。如果某人宣布某一事情也许为真,而另一位严格证明它为真,试问哪一位对科学的贡献更 大,谁的工作才算更正的科学发现?这个问题很复杂,不可一概而论。胡适(1891-1962)的格 言也许用得上:大胆假设,小心求证。? 〖BT2〗公开争论〖HT〗? 80年代芒德勃罗卷入多种争论,其中影响较大的公开争论有两场。一次是1986年在《今日物 理学》杂志上,一次是1989年在《数学信使》杂志上。每一次都连续刊发了系列评论或信函 。现在重温这些争论对于理解分形、理解芒德勃罗、理解整个现代科学的运行都有价值。? 1986年二月在世界范围享有盛誉的《今日物理学》开办了参照系(Reference Frame)这 样一个栏目,首期请芝加哥大学凝聚态物理学家、麦克阿瑟(John D.MacArthur)物理教授卡 丹诺夫(Leo Kadanoff)著文。卡丹诺夫是相变理论、临界现象、非线性系统浑沌行为方面的 专家。他写了一个带有挑战味道的题目《分形:其物理学在哪里?》,开头便写道:为什 么分形这么多事?《物理评论快报》(?Physical Review Letters?)报怨,每三篇投稿中就 有一篇以某种方式与分形扯到一起。一些大公司的实验室(像施乐和IBM)将其基础研究预算 中相当可观的一部分用于研究分形系统。在过去的一年里,大约有半打学术会议是关于这个 主题的。为什么???[20]?? 看得出来,卡丹诺夫来者不善。他接着说:但首要的是,什么是分形?不同人以不同的方 式使用分形这个词,但都同意分形对象像中国套箱或者俄罗斯套娃娃,包含层层嵌套的 结构。文章主体部分回顾了扩散置限凝聚(DLA)模型以及分维的计算,接着又开始了发问 。? 他说,不幸的是分维测度并不能有效区分不同的对象,虽然也有人给出分维以外的其他指 标,但这一领域的未来发展有赖于建立更本质的理论基础,在这个基础上应该能够导出现 象层次的几何形式。如果缺少这样一个基础,就不可能准确地确定什么样问题有可能具有有 趣的答案。人们可以希望,甚至期待,最终要发展出类似威尔逊(Kenneth Wilson,曾获物 理学诺贝尔奖)重正化方法一样的理论基础,来使这一主题漂浮的船舶稳固下来。没有 那样的基础,许多分形工作似乎显得肤浅,甚至有些乏味。在各种各样模型的基础上实施计 算机模拟,然后将结果与真实世界的情况对比,这不难,简直太容易了。但是,缺少组织原 则,这一领域就会堕落为有趣物种和简易分类的动物园。尽管这一领域所基于的现象观察十 分美丽和精致,但分形的物理学,无论如何是有待诞生的学科。??[20]?? 《今日物理学》4月份在研究与发现栏目中又刊出记者列维(Barbara G.Levi)写的一篇 报道《新的整体分形形式化(formalism)描述了通向湍流的道路》,??[21]?主要讲了 费根鲍姆发现周期倍化分岔普适常数以及许多人的实验验证,特别提到分形的新的形式化描 述,写下了公式? p?i=l???i(l)??,其中l是小的距离,p?i是概率,?i是标度指数。标度指数取 值有一定的范围,其分布构成奇异性谱,用函数f()表示。可以粗略地把f设想为熵。这说 的是多[标度]分形。接下去文章用大量篇幅讲述各种具体研究,以及以为横坐标、f( )为纵坐标做出来的曲线图。有关思想来源只在一处简单地提到芒德勃罗的名字。? 芒德勃罗看了这两篇文章大为不悦,给编辑部去了一封信,刊于《今日物理学》9月号,题 目是《多分形与分形》。??[22]?他首先针对卡丹诺夫的提问作了回答:卡丹诺夫 问分形为什么这么多事,我们看到现在答案部分在于他本人以及他的亲近同伙的工作都 与多分形有关。芒德勃罗在这封信中特别补充了自己早期关于多分形的贡献。1968 年我在关于发达湍流的工作中第一个提到了多[重]分形,70年代我发表了有关此问题的大 量论述。他一口气提到他独立撰写与合作完成的十余种文献,目的只有一个,强调他最先 提出了多[重]分形的思想。全文最刺激的话是:无论怎样,来自芝加哥的关于(多)分形 的最新研究,令我感受到作为一位父亲的骄傲,也许不久就要当祖父了。? 不过应当指出多[重]分形一词是弗里茨和帕里西命名的,当然他受到了芒德勃罗的影 响(如1974年的文章),后来弗氏又对多分形形式化进行了改进。芒德勃罗也承认这一点。? 芒氏又讲道:尽管我70年代的论文既难写更难读,但它们包含一些至今没有超越或者没有 重新发现的思想。特别地,我发表在《统计模型与湍流》一书中的论文(1972年,题目为《 阵发湍流中与能量耗散分布有关的对数正则假设的可能细化》)包含多分形测度的有用描述 。他还让人们注意1980年在哈佛大学时与一伙同事们(如杰芬(Y.Gefan)和阿哈罗尼等)合 作发表的多篇论文。这些同事完全站在芒氏一边,其中阿哈罗尼是芒氏的重要追随者,1989 年10月他与费德在法国专门举办了一次研讨会为芒氏65岁生日祝寿,并组织出版了纪念文集 (见1989年出版的《物理学38D》杂志)。? 在这封信的结尾芒氏写道:扩散置限凝聚(DLA)及其各个变种确实只是被发现和描述,还 没有完全解释清楚。描述先于理论是科学发展的通常模式。但是,看看在短短不到6年的时 间里已变得彻底可理解的所有硬科学!看看关于逾渗网瀑涨的知识,以及分形形状对物理学 所产生的奇妙的、多样性的影响和修正吧! 〖BT2〗优先权问题〖HT〗? 芒德勃罗卷入的第二个争论远胜过第一个。这次发难者是早年毕业于圣克鲁兹加州大学、现 任圣路伊斯州华盛顿大学的数学家克兰茨(Steven G.Krantz),他的研究方向是函数论和复 分析的几何方法。此人爱好广泛,后来(1990年)还在同一刊物上发表一篇《数学秩事》,专 门讲述了柏格曼(Stefan Bergman,1898-1977)、贝塞克维奇(Abram S.Besicovitch,1891-19 70)、哥德尔(Kurt G?o??del,1906-1978)、莱弗席兹(Solomon Lefschetz,1884-1972)和 维纳的一些令人发笑的故事。? 好在那些数学家早就去世了,讲述的故事真假死无对证,不过这一次(1989年)他却惹了麻烦 。1988年秋克兰茨想对两本书《分形图象科学》和《分形之美》作一评论,先征得了美国数 学会会刊书评编辑的同意。编辑斯托特(Edgar Lee Stout)很快收到稿子并同意发表。校样 1989年1月中旬出来后克兰茨故意复印了一些让人们传看,特别送给芒德勃罗一份。芒德勃 罗阅毕表示强烈反对,并写了一篇反驳文章。后来数学会怕惹事,建议克兰茨撤回书评稿另 投他处。克兰茨也非常生气,堂堂美国数学会怎么能出尔反尔。最后书评连同芒德勃罗的反 驳一同刊登在很有名的《数学信使》(?The Mathematical Intelligencer?)杂志1989年第 4期上。??[14]?? 克兰茨的书评写得很长,只是稍带评论一下提到的那两部当时影响极大的书,文章的中心是 冲芒德勃罗和分形几何学来的。开篇温和地从公众理解数学谈起,不久就到了关键:但是 ,目前数学中有一项进展由于其潜在的易理解性,可能使其他数学宣传相形见绌,这就是分 形理论。尽管现在称作分形集合的东西已早被研究了(如在调和分析、几何测度论和奇异性 理论中),但芒德勃罗起了分形这个词,并使之流行起来。? 接着引用了《分形之美》中芒德勃罗一段得意的、极容易引起反感的话,然后评论说,有人 竟认为分形是自微积分以来最伟大的数学思想。但他认为根本不是这么回事。像微积分的 创立者们一样,分形几何的奠基人也造就了一批有志于此事业的中坚队伍。他们不会因为缺 乏严格性而受阻,因为他们分享着最近300年来辛勤积累的智慧,即使到目前还没有普遍接 受的分形定义。情况似乎是,他们不证明定理(显然分形几何学家们不证明定理)时,是 不需要定义的。分形几何与微积分的显著差别是,分形几何没有解决任何问题。我不清楚它 是否创造了任何新的东西。可以看出火药味是颇浓的,而这里见到的还是修改后、语气有 所缓和的稿子。? 克兰茨还特别提到要把目前不适当归于分形标题或者大伞之下的真正数学拿走,至少是 划清界线,他认为分形几何学只是一个空架子。他认为像轮廓使人想起一只狗的头,上部 像尼斯湖的妖怪。在自然界中其分维数?D比欧氏空间维数E?要大0.2到0.3的形状似乎特别 多。典型的海岸线的分维大约是1.2,地形约为2.2,而云彩约为3.3这类描述根本不像是 科学。当人们翻开这两本书时,似乎分形几何是一门科学,显然指数学。但是我在两本书 中任何一处看不到一个定理,也几乎没有定义。如前面指出的,对分形一词没有明确的 定义。作为一个数学家,我觉得这不是一个好兆头。我不认为芒德勃罗证明了任何定理 作为他的研究结果,不过这也并非他所声称要做的事。用他自己的话,他是一位科学哲学家 。芒德勃罗建议分形几何学家也利用计算机作图来提出假设和猜想。但作分形研究的人 提出的假设和猜想是就事论事的,他们产生图形是为了得到更多的图形,而不是为了得到更 深刻的思想。即使这些图形偶然会使熟练的数学家证明出好的定理,这似乎是碰碰运气而已 。? 克兰茨的书评特别评论了关于复迭代的研究,他故意抬一个贬一个,认为道阿迪和哈伯德(J .H.Hubbard,道阿迪以前的学生)的工作继承了朱丽亚和法图(Pierre Fatou,1978-1979)的 传统,是真正出色的数学。芒德勃罗集(简称?M?集)并不是由芒德勃罗发明的,很 清楚在芒德勃罗集这个词被制造几年之前,文献中就清楚地出现过(指布鲁克斯(Robert Brooks)等人1978年的会议论文,1981年出版)。事实上法图和朱丽亚早就研究了迭代函数 ?zz?2+c?,如今芒德勃罗至少是由于与这此有关,而得到不少荣誉。克兰茨还就 外尔斯特拉斯?芒德勃罗函数的命名提出疑问,不过这算不了什么,芒氏也巧妙地作了回 答:实际上作这样称呼的是著名科学家伯瑞(Michael Berry),WM函数具有自仿射性质,而W函 数不具有。? 克兰茨认为虽然道阿迪等对动力系统、迭代函数作了出色研究,但是这些数学家们不研究 分形,他们证明漂亮的定理。分形几何之所以得到数学界如此高的赞扬,实际上是间接称颂 道阿迪、哈伯德、沙斯顿(Willian Thurston)和其他人的工作。我发现麻烦的是,公众 对于当今数学家们正在从事的工作的理解大部分是由于读了关于分形的书,读了格莱克的《 浑沌》(?Chaos?)一书,读了那些包含长期间的猜测和不正确的证明的书籍,来获得的。 这两部书造成了可怕的误导。分形理论和浑沌理论还处于襁褓中。现在就讲述它们是否 能篷勃发育为成熟的学科为时尚早。??[14]?? 克兰茨的文章还挑起了另一个敏感问题:对分形理论的过分宣传导致了对数学发展的有害 的官方政策。在一些圈子中,得到购买产生分形图形的硬件的经费,比支持研究代数几何来 得容易。代数几何是经得住时间考验的,而分形几何还没有,人们一定会奇怪,是怎样的考 虑导致这样的经费资助决策。我个人的看法是,官僚机构比较容易认同对硬件的投资而不是 对思想的投资。无论怎样,对这种政策造成的长期效果的预测令人沮丧。。最后的结论是 :关于它们形成一门新的学科,或者形成自然界中一种新的分析语言这一断言,我想说, 分形理论在这方面所作出的贡献是非本质的。总之,皇帝没有着穿衣。? 克兰茨的批评十分坦率,有不少也的确击中要害,但总体上似乎过火了,多少有些红眼病 之嫌。我们还是看看芒德勃罗的反应吧。? 他先作了一个有趣的开场白:看看数学的历史,数学界回到了具有灵活性和多元论的时代 ,每个人都有权力表明他的心情。之后着重就芒德勃罗集的优先权作出了反应,这对 他来说的确很重要,公众(特别是能够上微机作图的人)主要是由芒德勃罗集而知道分形的。 自然扯到布鲁克斯与马蒂尔斯基(J.Peter Matelski)1978年写成1981年发表出来的文章(刊 于一部论文集中)。准确说,虽然芒德勃罗于1979-1980年也研究了二次复迭代,大概也独立 发现了?M?集,但布鲁克斯发现得更早些。论文写成时间一个是1978年,一个是1980年(或 者再早些算1979年);但发表时间正好倒过来了,一个是1981年,一个是1980年。论文集显 然比杂志论文刊出周期长。芒氏不愿承认发现的先后,但又不好正面反驳,于是找到另外几 个理由:1)指出布鲁克斯只给出了?M?集的粗糙版本;2)是芒德勃罗本人大力宣传了?M? 集;3)正是芒德勃罗吃饭的时候花大量时间向道阿迪讲述?M?集,促使道阿迪与其学生哈 伯德暂时放下手头的工作而专心研究?M?集的性质。芒德勃罗指出,他在沙利文(Dennis S ullivan,也是道阿迪以前的学生)的CUNY讨论班上向米尔诺(J.Milnor)和沙斯顿讲述?M?集 时,?M?集还不曾归于任何人的名下。??[14]?? ?M?集合究竟是怎样开始冠以芒德勃罗的名字,现在还不清楚。但这并不是什么了不起的 事情,数学史上张冠李戴的事多着呢。比如:1)计算机辅助几何设计中,利用伯恩斯坦(Ber nstein)多项式可得出工程设计中非常有实用价值的比泽尔(Pierre E.B?e??zier,1910- )曲线,这种算法雪铁龙汽车公司工程师卡斯特乔(de Casteljau)也独立地做了同样的工作 ,只是没有宣传。??[39,40]?2)利用复函数去计算实积分的值,欧拉(L?e??onhard Euler,1707-1783)和拉普拉斯(Pierre?Simmon Laplace,1749-1827)都有优先权。3)在常 微分方程研究中,关于富克斯(Immanuel Lazarus Fuchs,1833-1902)型函数和克莱因(Chri stian Felix Klein,1849-1925)型函数也存在一些争议。庞加莱将克莱因研究过而富克斯 没有研过的那种函数命名为富克斯型函数,遭到克莱因的抗议,于是庞加莱马上将自己新发 现的一种函数命名为克莱因函数,然而克莱因本人从来没有考虑过这种函数!??[41]? ? 芒德勃罗在为自己争优先权时不小心又伤了布鲁克斯,后者1990年在第1期《数学信使》中 反驳了芒氏。布鲁克斯在给编辑的信中说:至于谁发明了现在称作芒德勃罗集的东西,我 认为应当牢记:大约在20年代法图的头脑中对此就有一幅完整的图象。毫无疑问,如果法图 有机会接触现代计算机的话,他就可能并且已经绘制出马蒂尔斯基、芒德勃罗和我60年后画 出来的完整图形。这么多年来,工作在这一领域的其他许多人也一定能够做到。坦率地说, 生活在计算机革命的时代,我很难自作主张拥有某种荣誉。? 芒德勃罗曾说:马蒂尔斯基和布鲁克斯只是接近于那种将被证明是特殊的东西,但他们对于 这幅图形并没有理解。布鲁克斯反问道:我不知道他对我们理解什么或者没有理解什么, 怎样那么有把握!我们特别不喜欢发表带有哲学思辨性质或者半生不熟的方案。要害在于句 子的前半部分。在所有这些大吵大嚷之后,如果芒德勃罗真的相信这个集合有些特殊,那么 他一定言不由衷。正如英国海岸线没什么不同于世界上所有其他海岸线一样,芒德勃罗集也 只是整个奇妙的数学宇宙中的一个(当然既不是第一个也不是最后一个),它反射出自然界与 思维世界中各种类型的美与精巧。? 在1990年第1期《数学信使》中还刊发了卡丹诺夫对上述讨论的回应,不过他只字未提孰是 孰非,而是补充评论了一下先前提到的两部书,这为它们很有价值,其中的一部他还推荐给 自己的学生阅读。? 另外芒德勃罗还就克兰茨说他是科学哲学家进行了辩白,说那只是克兰茨的论断。芒氏 称自己是实干家(doer),写的文章也都发表在实实在在的数学、科学和艺术杂志上。很 清楚,在他们的争论中,双方都认定科学哲学家只是一些善于夸夸其谈、只知道评论别 人工作的一伙人。实际上呢?大家心里都清楚。? 克兰茨并不服输,1989年第4期《数学信使》还为他留了一小块再反驳的空间,他讲了这样 一段再次让芒氏难受的话:布鲁克斯和马蒂尔斯基的思想是在1978年的一次会议上提出的 ,至于芒德勃罗的早期贡献可能在1979年到1980年之间。《今日物理学》的编辑列维在1986 年4月的文章中介绍了卡丹诺夫的工作,这工作用的是统计力学方法而不是分形几何方法。 列维描述这一深刻的科学研究工作时用了分形的语言,芒德勃罗表示默认,这正好提供一个 例子,说明分形几何学家借用其他学科的出色成果来装点自己的倾向。? 抛开情感因素,克兰茨对分形几何的批评是有意义的,分形几何的确存在他所指出的若干不 成熟性、不严格性,但是这不应该归罪于一个人,特别不能归罪于为这一新学科做出重大贡 献的创始人芒德勃罗。责任应该由科学共同体集体承担,其中他自己也有份。当然由于涉及 一些个人利益,芒德勃罗过分敏感,作为领袖他主动应战。实际上芒德勃罗并没有争回什么 (?M?集的命名已成事实,谁也改变不了),反而影响了自己的公众形象,使人觉得他是一 个过分计较的人。芒德勃罗大概没有研究过大众传播学,他应该知道,人不出名时,公开的 争论对自己有利,而当自己出名时,公开争论只能给自己抹黑。? 有人曾说芒德勃罗这个人有才无德,他与几乎所有同事都争执,甚至把别人指责他的把戏转 手用于攻击别人,例如他曾攻击非线性科学同一阵地的费根鲍姆,指出他的周倍化普适性过 程并不新鲜,一个叫米尔堡(P.J.Myrberg)的人早在1962年就发现了云云。这种说法有些过 火,其实芒氏与多数同事都相处得很好,如与汉德尔曼(S.W.Handelman)、沃斯(Richard F. Voss)、拉夫(Mark R.Laff)、诺顿(V.Alan Norton)及迈肯娜(Douglas M.McKenna)等。? 〖BT2〗值得思索的问题〖HT〗? 这篇短短的评传,只写了与芒德勃罗有关的几个典型问题。一方面是材料有限,比如关于个 人生活方面的资料十分少,多亏芒氏本寄来一部分;另一方面是材料太多,比如分形科学方 面的文献,汗牛充栋,仅芒氏本人就有一大堆读起来颇费气力的论文和专著。到目前为止, 也还未见现成的芒氏传记可资参考,芒氏的三个大部头也均未译出。此外芒氏还健在,分形 理论还在发展,一切离阖棺定论还遥远。? 在有限的篇幅里,还用相当多篇幅讲芒氏如何与别人激烈争论,似乎作者并不欣赏传记的主 人公,对芒氏怀有敌意,其实正好相反,作者相当崇拜芒德勃罗。好像有人说过,为某人 立传最忌讳作者不喜欢书中的主人公。? 那么为何专捡一些对芒氏不利的方面来描述呢?这是由芒德勃罗这个人物特点决定的,只有 这样才能展示他如何与传统与现实不相容。尽管如此,他还是空前成功了,这更值得思索。 我们敢肯定,他是少有的天才,虽不像爱因斯坦那么纯正、圣洁,但仍然是个性独特、创造 力极强的天才。? 几个曾引起作者思考、多少扯得远些的话题罗列如下:? 1.芒德勃罗是靠强调几何取胜的,分形也是这样宣传起来的,但代数、几何、分析同等 重要,不同时代、不同学派各有所侧重是正常的,但用一种去排斥另一种就显得不自然(如 布尔巴基故意避开几何图形)。几何重形象,有助于对问题的理解,但过分依赖形象是不够 的、不严格的。经典的倍立方、三等分任意角、画正七边形及化圆为方等几何问题,单 纯靠初等几何是不行的,只有借助于有理数域以及超越数(如证明圆周率??的越越 性)等概念,才能彻底证明圆规+直尺不能作出上述四种图形。??[34]?拓扑学是 一门几何学,但代数拓扑离几何形象已经较远了。计算机数值计算与绘图技术有助于数学家 获得几何直观、提出数学猜想,但这与严格的数学证明还是两回事,数值计算永远不能代替 数学逻辑证明。? 2.当今大科学的运行模式是最好的吗?特别地,自然科学严重分化、数学日渐抽象化、基础 科学家为了发表论文而发表论文、大科学时代如何对待科学家的个人兴趣等等问题,显然已 经十分严重了。然而悲哀的是,短期内竟看不出有什么好的解决办法。再出来几个芒德勃罗 式的人物肯定有好处,但很难,也扭转不了大局。SCI和EI论文统计有一定意义,但它与科 研水平、特别与科学创新关系不大,科学史上的重大突破常常只靠一两篇论文。自然科学基 金通常资助已经取得成就的人员,但是已经取得了成就还用再资助吗?反过来,不取得成就 怎么判断应该资助他呢?显然基金应当只资助那些能取得但尚未取得成就的人,但很少做到 。? 3.科学家队伍不断膨胀,但科学精神并没有因此而发扬光大,没有推向社会而成为公众文化 的重要组成部分,相反在科学家内部,由于工匠式人物和纯技术性工作日渐增多,科学精神 还有被弱化、淡忘甚至曲解的趋势。在科学界以外,反科学情绪逐渐在积累。作为科学精神 一部分的理性怀疑与宽容精神确有大力提倡的必要。? 对待分形几何这样的新事物,既要有所怀疑又要宽容。这个学科处于草创阶段,问题多如牛 毛。问题多是好现象,没有问题该学科不是无意义的学科就是已经死掉了的学科。还要看这 牛毛里是否有突出的问题以及这些问题是否有解决的希望。? 对于科学问题要实事求是,不能把一种东西吹过头。芒氏在多种场合吹嘘过自己的新几何学 ,但他也讲过这样的话:最应强调的是,我并未把分形观点看成是万灵妙方,每个范例研 究都应根据它所在领域内的准则来加以检验,也就是,多半是基于它的组织、说明和预测方 面的威力,而不是作为数学结构的一个例子。因为每一个范例研究都必须化简以使它成为纯 粹技术性的问题,读者若要了解详情,可查阅其他文献。结果(如像汤普森1917那样),本书 从头至尾都是序言性的。任何有更多期望的专家都将感到失望。? 4.芒氏的奋斗史对国人从事科学研究有什么启示呢?看到坚定信念、大胆创新只是一个方面 ,练好基本功、脚踏实地也是重要的。要注意芒氏这样的人才是很少的,不可否认他的确天 资聪颖,他的基本数理功底也是相当不错的。他虽然不善于证明一串串的数学定理,但他的 数学与物理直觉很好。他从未为了创新而放弃理性,从未在自己生疏的领域留下伪科学的笑 柄。如果不打好基本功,以芒氏为榜样以期取得重大科学突破,大概是不可能的。? 举例来说,芒氏如果数学分析基础不好,他也不会注意那些古怪的案例,只有对课本正统内 容有深刻领悟,才能发现别人不容易发现的问题。同样他的概率论学得也是相当有深度的, 他对莱维的非高斯稳定分布有强烈印象,后来才尝试把它用到各个领域,而在当时,甚至现 在,绝大多数人也不理解甚至不知道还有莱维分布。? 还有一个方面可以说明芒氏数理基础扎实。通常人们是由理工科跳到经济、社会科学,反向 跳几乎不可能,这种不可逆性是显然的,但芒氏研究了经济后,还能研究湍流,到了80年代 又开始了复迭代函数的研究,并且取得了成就。? 5.人物评价的复杂性。我们看到即使像芒德勃罗这样一个与政治无关的人物评价起来也不容 易做到客观公正。这主要牵涉当世人的利益关系和个人情感、好恶。吾辈小人物任凭如何评 论,关系不大,但作为有影响的人物出面参与评论,情况就大不一样。比如芝加哥大学卡丹 诺夫教授卷入与芒氏的争论,其影响就非同小可。所以科学界的大人物作评论要慎重,但常 常不是这样。? 在评价一个科学工作者时,更多是要看他的科研成果,而不是别的什么东西。至于他同性恋 、性格古怪或者有什么作风问题,都是次要的,只要他不触犯法律。用纳税人的钱养活一群 人缘好、道德高尚但不出成果的科学家,毫无意义。伽利略、牛顿、莱布尼兹都有 若干不光彩的一面,据说爱因斯坦也不例外,但这并不妨碍他们是人类的最杰出代表,他们 追求真理的科学理性精神是人类最宝贵的财富。? 6.基础研究不可急功近利。愿为科研、教育投资的政府和老板,都有一个小算盘:今天投入 100元,别天就得收回200元。如果实现了,便说科技的确是生产力,甚至第一生产力;如果 没有得出结果,或者仅仅是暂时没有出成果,内心就觉得科技无用,但不会说出来,而实际 上对增加科教投入已无兴趣,所以出现雷声大雨点小的情况。? 芒德勃罗在IBM任职20余年后,才算混出一点名堂,但他始终得到格莫瑞(Ralph E.Gomory, 曾任IBM公司经理、部门主任、研究部主任和副总裁)的信任和大力支持,对此芒氏念念不忘 。??[4]?在IBM供职期间,公司还为他创造了各种机会,允许他到全美以及世界各地 作短期访问和兼职。当然,IBM下属研究所的许多研究是纯粹科学探索性质的,不要求有任 何商业考虑。从长远看,这是欲擒故纵。分形研究以及研制深蓝与卡斯帕罗夫(G.K asparov)下棋,虽耗资巨大,但最终使IBM声誉大增,间接促进了其商业行为,善于讲兵法 的中国人怎么只会在口头上高谈阔论?? 〖BT2〗注释与参考文献〖HT〗? [1]B.B.Mandelbrot,?Fractals:Form,Chance,and Dimension?, W.H.Freeman and Company,San Francisco,1977? [2]B.B.Mandelbrot,?The Fractal Geometry of Nature?,W.H.Freeman and Company,New York,1982, Updated and Augmented.参阅了上海交通大学陈守吉的中译文初稿。 ? [3]J.Gleick,?Chaos:Making a New Science?, Viking Penguin Inc.,1987,pp.81-118,213-240.中译本:卢侃、孙建华编译,《浑沌学传奇》,上海翻译出版公司1991年,第103-147,250-280页。此书另外还有两个中译本? [4]D.J.Albers G.L.Alexanderson,?Mathematical People:Profiles and Interviews?, Benoit Mandelbrot, Interviewed by Anthony Barcellos,Birkh?a??user, Boston,1985,pp.205-226.感谢芒德勃罗1997年5月惠寄本文复印件? [5]B.B.Mandelbrot,Fractals. In ?Chaos:The New Science?, Nobel Conference XXVI,Edited by John Holte.本文是根据1990年4月芒氏在纽约古根海姆博物馆(Guggenheim Museum)的讲演以及1991年在林肯中心艾丽丝图利报告厅(Alice Tully Hall of Lincoln Center)的演讲简化而成的,发表时间大约在1992年以后。感谢芒德勃罗1997年5月惠寄本文复印件? [6]B.B.Mandelbrot,Fractal geometry:what is it,and what does it do? ?Proc.R.Soc.Lond.?, A423,3-16(1989)? [7]B.B.Mandelbrot, Stable Paretian random functions and the multiplicative variation of income, ?Econometrica?,Vol.29,No.4,October 1961,pp.517-543? [8]B.B.Mandelbrot,Paretian distributions and income maximization, ?Quarterly Journal of Economics?, Harvard University,Vol.LXXXVI,Feb.,1962,No.1,pp.57-85 ? [9]B.B.Mandelbrot,New methods in statistical economics, ?The Journal of Political Economy?, Vol.LXXI, October 1963, No.5,pp.421-440? [10]S.M.Brucker,CS400 Biography:Beniot Mandelbrot. From http://www.kzoo.edu/~a 24,1995? [11]John Franks(西北大学数学系教授,斯美尔的学生),Review on book ?Chaos:Makbrady/CS400/bioW96/brucker.html,January Making a New Science? by James Gleick, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.1,1989,pp.65-69;70-71. James Gleick的回答见同期第69-70页? [12]B.B.Mandelbrot, Chaos,Bourbaki,and Poincar?e??, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.3,1989,pp.10-12. John Franks关于格莱克《浑沌;开创新科学》一书书评的总答复见同期第12-13页。? [13]David Crystal, ?The Cambridge Biographical Encyclopedia?, Internet Version, Cambridge University Press,1994? [14]Steven G. Frantz(华盛顿大学数学系),Fractal geometry, ?The Mathematical Intelligencer?, Vol.11,No.4,1989,pp.65-69;70-71.此文严厉批评了分形几何学领域的一些言过其实的现象,其中有相当多言辞与芒德勃罗有关。芒德勃罗的反驳文章见同期第17-19页,题目是Some facts that evaporate upon examination。之后Frantz又写了几句评论,见第19页。事后《数学信使》杂志编辑又征求当事人Robert Brooks(洛杉矶加州大学数学系教授)和Leo P. Kadanoff(芝加哥大学研究院教授)的意见,他们俩分别就The Mandelbrot Set和Fractals写来短信,刊登于该刊1990年第12卷第1期第3-4页。Frantz与Mandelbrot的争论文章中译文刊于《数学译林》1992年第4期,《分形理论的哲学发轫》一书也收录了这两篇译文? [15]Vita and publications of Benoit B. Mandelbrot, ?Physica? 38〖WTHZ〗D〖WTBZ〗(1989)385-395? [16]A. Aharony, Measuring multifractals, ?Physica? 38〖WTHZ〗D〖WTBZ〗(1989)1-4? [17]P.Mirowski,Mandelbrot?s economics after a quarter century, ?Fractals?, Vol.3,No.3(1995)581-600? [18]J.Klafter et al.,Beyond Brownian motion, ?Physics Today?,Feb.,1996,pp.33-39? [19]U.Frisch,Tubulence:The Legacy of A.N.Kolmogorov,Cambridge University Press,1995? [20]L.P.Kadanoff,Fractals:where?s the physics? ?Physics Today?,Feb.,1986,pp.6-7? [21]B.G.Levi,New global formalism describes paths to turbulence, ?Physics Today?,April 1986,pp.17-18? [22]B.B.Mandelbrot,Multifractal and fractal,?Physics Today?,Sept.,1986,pp.11-12? [23]B.B.Mandelbrot,How long is coast of Britain? ?Science?,Vol.156,1967,pp636-638? [24]H.?O.Peitgen et al., The Beauty of Fractal, Springer?Verlag,1986.中译本:井竹君、章祥荪译,《分形美的科学》,科学出版社1994年? [25]H.?O.Peitgen ?et al?., The Science of Fractal Images, Springer?Verlag,1988 [26]黄登仕、李后强,《非线性经济学的理论和方法》,四川大学出版社1993年? [27]程光钺编,《分形理论及其应用》,全国分形理论及其应用学术讨论会文集,四川大学出版社1989年? [28]李后强等,《分形理论的哲学发轫》,四川大学出版社1993年。? [29]冯长根等,《非线性科学的理论、方法和应用》,科学出版社1997年。? [30]赵凯华等,《非线性物理导论》(初稿),北京大学非线性科学中心1992年8月? [31]范岱年等编,《爱因斯坦文集》第二卷,商务印书馆1977年,第72-82页? [32]马季芳译,《今日数学:随笔十二篇》,Lynn Arthur Steen编辑,上海科技出版社1982年? [33]胡作玄,《布尔巴基学派的兴衰》,知识出版社1984年? [34]柯朗、罗宾著,左平、张饴慈译,《数学是什么?》,科学出版社1985年? [35]斯图尔特著,潘涛译,《上帝掷骰子吗?》,上海远东出版社1995年,第232页? [36]科恩著,杨爱华等译,《科学革命史》,军事科学出版社1992年,第46页? [37]邓东皋、孙小礼、张祖贵,《数学与文化》,北京大学出版社1990年? [38]汪富泉、李后强,《分形》,山东教育出版社社1996年? [39]常庚哲,《曲面的数学》,湖南教育出版社1995年,第33页? [40]齐东旭,《分形及其计算机生成》,科学出版社1994年? [41]克莱因,《古今数学思想》第三册,上海科学技术出版社,第121页? [42]刘华杰,浑沌研究,见《跨学科研究引论》第8章,金吾伦主编,中央编译出版社1997年,第179-251页? [43]刘华杰,《浑沌:科学与文化》,山东教育出版社1996年? [44]刘华杰,《分形艺术》,湖南科学技术出版社1997年?? 〖GK14!2〗〖HT5F〗 收入《科学巨星》第10辑,陕西人民教育出版社1998年 〖HK〗〖HT〗
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多项式的根之美
songshuhui 2009-12-11 16:31
木遥 发表于 2009-12-10 11:20 木遥按:这是美国数学家 John Baez 今年 11 月 14 日在他的网页上贴出来的一篇文章( 原文 ),很快引起了许多人的兴趣。标题中的根是指数学中一个多项式的解。如果你还没有忘光你的高中数学课,就应该知道下面这两个事实:任何一个多项式在复数域中必有根,并且每个复数都可以在复平面上对应于一个点。这样,给定一系列多项式,我们就可以把它们的根都画在复平面上,从而形成一些特定的图案。请放心,即使你对多项式毫不了解,也不会妨碍你欣赏这些图案之美的。也许你曾经听说过经典的 曼德布洛特集合 (Mandelbrot set),那你很容易就能在这里看到某些相似之处。所不同的是,人们对这些新的图案还所知甚少。 下面所有括号中的文字都是我所添加,以帮助不熟悉复平面的朋友了解所说那些的点的位置。每幅图都可以点击放大。 我的朋友 Dan Christensen 发现了一幅令人赞叹的图画(见题图)。它是由所有系数为 -4 到 4 之间的整数的 5 次以下多项式的根在复平面上的对应点构成的。 点击图片可以看大图。二次多项式的根是灰色的,三次多项式的根是青蓝色的,四次多项式的根是红色的,五次多项式的根是黑色的。横轴是实轴,纵轴是虚轴,中间的大洞的中心是原点。两侧小一点的洞的中心是 1,在 i 处和 1 的所有六个虚根出也各有一个小洞(即中间那个大洞上下不远处对称的那些小洞)。 你可以在这里看到许多迷人的图案,给人的感觉是这些整系数多项式的根在竭力避开那些整点和单位根似的,──除非这些整点和单位根本身就是多项式的根。如果你把图案放大,可以看到更多细节: 在这里你可以看到,在 1 这个点所在的空白区域周围环绕着一些美丽的羽毛,在 exp(i/3) 这个点周围有一个六瓣的星形(即左上角那个梅花形状的洞),还有一条奇特的红色连线把这两个点连接起来,还有很多其他的点周围的星形的洞,诸如此类。 人们应该开始研究这些东西才对!让我们把所有系数为 -n 到 n 之间的整数的 d 次以下多项式的全体根构成的集合称为 Christensen 集 C d,n ,很显然当 d 和 n 越大, C d,n 这个集合就越大,并且当 n 趋于无穷大时这个集合趋于布满全复平面。如果固定 d, 令 n 趋向于无穷大,那么我们就能得到全体有理复数;如果令 d 和 n 同时趋于无穷大,那么我们就能得到全体代数复数。于是一个有趣的问题就是,如果我们固定 n,令 d 趋于无穷大,会得到什么呢? 在上面这些图片的鼓舞下,Sam Derbyshire 决定绘制一些分辨率更高的多项式根的图片。试验了几次之后,他觉得他最喜欢的是系数为 1 的多项式。他把所有 24 次以下的这样的的多项式的根绘制成一副高清晰度的图片,这些多项式一共有 2 24 个,其根大约共有 24 2 24 个,也就是大约四亿个。他用 mathematica (一个数学软件)花了大概四天时间才计算出所有这些根,得到了大约 5G 的数据。然后他用 Java 语言生成了这幅美妙的图案: 颜色表示根的密度,从黑色到暗红色到黄色再到白色。上图是低分辨率版本, 这里 有一个 90M 的文件可供下载。我们可以放大一点看到更多细节: 请注意单位根周围的那些小洞,还有圆弧内部的那些羽毛。为了更清楚地观察,我们把下面这些标记出来的区域放大: 这里是 1 这个点处的那个洞。(即上面最右边那个标记出来的区域。) 中间那条白线是实轴。这是因为有非常多的多项式根都是实数。 然后这里是 i 这个点处的洞。(即最上面那个标记区域。) 这是 exp(i/4) 这个点周围。(差不多位于 1 和 i 正中央。) 请注意,根的密度在接近这个点的时候会变大,然后又突然变小。可以看到这些密度所形成的微妙的图案。 但是更漂亮的是当我们来到单位圆内部时的那些羽毛状图案!这里是实轴附近的样子,这个图的中心位于 4/5 点处。(右边数第二个标记区域。) 在 (4/5)i 点处的样子就截然不同了。(从上数第二个标记区域。) 但是我觉得最漂亮的还要说是 (1/2) exp(i / 5) 这个点周围的区域。(剩下的那个标记区域。)这幅图生动的展示出,在我们的数学研究中,规律性是如何从一团混沌中逐渐成型的,就像从薄雾中隐约显现出来一样。 这里有太多东西需要解释了,每幅图片都至少需要一两个定理来描述。如果想看到更多的这类结果,可以参见: Loki Jrgenson, 限定系数多项式的根 以及 相关图片 。 Dan Christensen, 整系数多项式的根的图案 。
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漂亮的分形
sobolev 2009-6-14 12:54
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《非线性动力学》序言
Mech 2009-3-2 13:17
随着科学技术的发展,工程中的非线性问题日益突出。为此有必要在工程专业开设非线性动力学课程。这门课程要求工程专业研究生掌握非线性动力学的基本理论和分析、计算方法,并能初步应用理论分析和解决工程中的各种非线性动力学问题,同时也为深入研究非线性动力学提供必要的基础。 本书主要讨论混沌和分岔问题,但也涉及动力学中的分形问题。全书除绪论外共分八章。第一章为非线性动力学的数学基础。第二章为混沌的概念、非线性动力学研究的数值方法概述和混沌的动力学数值特征。第三章为分岔的基本概念以及与混沌的关系。第四章为分形的基本知识、混沌吸引子的几何数值特征和动力学系统吸引盆的分析边界。第五章为非线性动力学实验研究的基本方法,包括从实验数据中重构相空间。第六章讨论混沌的解析预测问题。第七章叙述分岔的基本理论。第八章简述非线性动力学中若干专题内容,包括Hamilton系统中混沌、时空混沌、分岔问题的数值方法、随机系统的混沌和分岔以及混沌和分岔的控制。各章附有文献注释,以便于读者就感兴趣的课题深入研究,也可以作为教师布置课外作业和学期论文的参考。由于非线性动力学的文献浩如烟海,本书参考文献中主要列出相关教材、专著和综述评论性文章。全书正文可分为三个模块,第一章为非线性动力学的数学基础,随后四章为非线性动力学基本内容,后三章为非线性动力学专题内容。 在本书中,作者力求贯彻以下意图: 1. 在基本内容和方法方面体现非线性动力学全貌,为今后应用和深入研究奠定基础。 2. 在某些专题性内容方面反映非线性动力学研究的新进展,也包括作者的一些工作。 3. 易于为工程专业学生接受,避免要求过多数学准备知识,只要具备工程专业常微分方程和振动力学的基本知识便可以掌握本书前五章主要内容和后三章的基本思路。 4. 关于数值计算问题,着重介绍各种算法的基本原理。利用电子计算机的解题训练可自编计算程序或应用已有的计算软件。 本书为工程专业尤其是工程力学专业的研究生教学需要而编写,也可供其它对非线性动力学问题感兴趣的研究人员参考。除全书适用于一般非线性动力学课程外,本书前五章可适用于学时较少的非线性动力学课程。为便于读者阅读参考,本书各章逻辑关系如右图(从略)所示。为不同教学目的,可以选用相应内容。例如,第二、六两章和第一、三、四、五、八章部分内容适用于混沌动力学的课程,第七章和第一、三、五、八章部分内容适用于分岔理论的简明课程,而第四章和第一、五章部分内容适用于分形的导引性课程。 本书的编写和出版得到了上海市研究生教育基金和中国建设银行湖北省分行尊师重教联合会研究生教育基金资助。与本书相关的研究工作得到国家自然科学基金、教育部博士学科点科研专项基金、中国博士后科学基金和上海市科技发展基金的资助。编写工作得到各方面的支持和鼓励,并且汲取了已出版的国内外非线性动力学著述的许多宝贵经验。北京大学力学与工程科学系朱照宣教授对本书科技译名进行认真审定。作者谨表示衷心感谢。初稿部分内容曾在上海交通大学工程力学系研究生和上海大学上海市应用数学和力学研究所博士生中试用。限于水平,书中的错误和不足之处恳请读者指正。 1999年6月
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自相似性结构着的嵌套之三:Logistic映射
whitewood 2009-2-7 14:30
自相似性结构着的嵌套之三: Logistic 映射 X n+1 =aX n (1-X n ) 风铺展的微澜 诱人而冰冷 天空在金色的鸟翅上 颤动 群山筋脉 醉如仙境 透明的日光 身体柔软 波纹流动 波浪的形态 玻璃灵魂 分形的裂变 风帆如音乐的大海 度过 钻石心脏 闪过至高者的面容 引力的媾变 宇宙雪片 穿过海的嘴 天空的帆 不断迭代的蚂蚁 神明的智慧 从密约的隧道 抵达星辰的源头 更深的水底 燃烧着太阳 在天地之间 只见田地 自相似性结构着的嵌套 核心无穷 指月的手指上 笛下魔韵阵阵
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分形简介(Introduction to fractal)
sanshiphy 2009-1-16 22:49
为什么要谈分形?分形几何的创始人 Mandelbrot 在他的名著《大自然的分形几何学》中曾说过:为什么几何学常常被说成是冷酷无情和枯燥无味的?原因之一在于它无力描写云彩﹑山岭﹑海岸线或树木的形状。云彩不是球体﹑山岭不是锥体﹑海岸线不是圆周﹑树皮并不光滑﹑闪电更不是沿着直线传播。(Mandelbrot著,陈守吉 凌复华译,《大自然的分形几何学》,上海远东出版社,1998年)传统的几何学不能够描述大自然的复杂性和多样性,从而也就不能够帮助我们了解这些复杂性和多样性背后的机制,而分形几何学在描述和理解大自然的复杂性和多样性方面都是有帮助的。 Mandelbrot不是第一个发现分形现象的人,早在他之前,数学家们就开始在数学邻域研究这一现象了。然而,Mandelbrot是第一个意识到分形不仅仅存在于数学家的模型中,在我们的自然界中,处处存在分形。说到这里,不得不提起一个人,正是他的研究直接激发了Mandelbrot的发现,这个人就是前面曾提到过的Richardson(参看《K41理论之功率谱》)。他发现两个相邻的国家发布的同一边界线长度存在明显的差别(参看《大自然的分形几何学》),并且与我们往常的经验不同,尺子的精度越小,测量到的海岸线长度越大,而非趋近于某一个特定的值。Mandelbrot深入研究了这个问题,指出海岸线随尺子精度的变化类似于数学中研究的一类具有自相似特征几何体。海岸线正是由于具有自相似的特征,其长度才会随着尺子精度的变短而不趋近于稳定值。因此,在谈论海岸线的长度时必须同时给出测量仪器的精度,否则单独的谈论海岸线长度是没有意义的。如果我们一定要问海岸线真正的长度是多少?答案是无穷长(B.B. Mandelbrot, How Long Is the Coast of Britain?, Science, 156,3775)。像海岸线这类具有自相似特征的几何体就是分形。 Richardson是博主非常敬仰的一个牛人,这是因为他并没有把自己束缚在某一特定的领域来做研究,他是一个真正意义上的自然学家。例如:他是世界上第一个做数值天气预报的人,他的湍流级窜的思想启发了K41理论的建立,而这个思想仍然是目前关于湍流机理图像最深刻的认识。另外,他也曾用数学知识来理性地分析国家之间冲突的根源。像这样的牛人还有一个,那就是大名鼎鼎的Feynman,他曾经说过一段很有意思的话:有一位诗人曾经说过:整个宇宙就存在于一杯葡萄酒中。我们大概永远不可能知道他是在什么含义上这样说的,因为诗人的写作并不是为了被理解。但是真实的情况是,当我们十分接近地观察一杯葡萄酒时,我们可以见到整个宇宙。这里出现了一些物理学的现象:弯弯的液面,它的蒸发取决于天气和风;玻璃上的反射;而在我们的想象中又添加了原子。玻璃是地球上的岩石的净化产物,在它的成分中我们可以发现地球的年龄和星体演化的秘密。葡萄酒中所包含的种种化学制品的奇特排列是怎样的?它们是怎样产生的?这里有酵素、酶、基质以及它们的生成物。于是在葡萄酒中就发现了伟人的概括:整个生命就是发酵。任何研究葡萄酒的化学的人也必然会像巴斯德(L.Pasteur)所做过的那样发现许多疾病的原因。红葡萄酒是多么的鲜艳!让它深深地留在人们美好的记忆中去吧!如果我们微不足道的有限智力为了某种方便将这杯葡萄酒这个宇宙分为几个部分:物理学、生物学、地质学、天文学、心理学等等,那么要记住大自然是并不知道这一切的。所以让我们把所有这些仍旧归并在一起,并且不要忘记这杯酒最终是为了什么。让它最后再给我们一次快乐吧!喝掉它,然后把它完全忘掉!(理查德费曼 著,《费曼物理学讲义》,上海科学技术出版社,1989年第1版,第一卷第三章) 博主请出Richardson和Feynman这两位老前辈,只是想说明:牛人们涉足百家的做法我们固难效仿,但是平时多关注一下其它学科的发展,以一种理性和包容的心态看待他人的研究,这点我想还是我辈菜鸟能做到的吧。 本帖的附件写于2005年11月份的样子,当时王老师想看看能否将非线性和复杂性科学的方法和概念引入到高能物理中,要我写一些介绍分形基本知识的报告,然而此事最终无果,报告也就写了一篇,就是本帖的附件,内容有: 题目:分形 一、为什么要谈分形 二、分形的特征从一个简单的数学模型Koch曲线谈起 三、一维布朗运动模型 一个应用广泛的随机分形的例子 笔记中如有任何疏漏、错误,请不吝指教,博主对此表示万分地感谢。另外如果您觉得哪一部分有参考价值而引用到您的文章中,请指明引用的来源:http://sanshiphy.blogspot.com 或者 http://www.sciencenet.cn/u/sanshiphy ,博主不胜感激。 附件:分形的特征
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碳分形树
guo909 2008-10-30 22:32
碳分形树 就在我们为郝雅娟的纳米线不是氟氧化镧而感到失望的时候,小刘的工作却出现了转机。 小刘在国防科技大学念的本科,毕业后到我们所工作,时间可能比我晚几年。他在所里工作了几年后,职称提不上,大点儿的房子也分不到。这才醒悟过来,不弄个博士学位看来不行。凭他考大学的功底和水平,很顺利地通过了我们所的博士生入学考试,几年后同样顺利地 戴上了 博士帽。然而世易时易,此 时的 博士帽已经没有几年前那么吃香了,再加上一些别的原因,仍然没有得到希望中的提升。好在联系上了韩国的一个教授, 韩国 教 授给了他一个博士后位置,研究碳纳米管的合成。从韩国回来后,他自己原来所在的研究组已经解散。正好,有一次我在等待理发的时候碰见了他。那时,他刚从韩 国回来。我们组当时也正缺人,跟他聊了聊知道他以前也做过碳化硅,就想动员他到我们组来。不过,晚了一步,他已经到别的组报到了,我觉得很遗憾。没想到过 了一两个月,他又过来找我了,说对那个组的课题兴趣不大。我赶紧抓住机会,把他请到我们组来。 他 在韩国做碳纳米管,自然对纳米管兴趣昂然。可我觉得已经有那么多的人在从事碳纳米管的合成工作,其中自然不乏聪明绝伦之辈。我们如果想不出与别人不同的合 成路线,仅仅靠改变反应条件,恐怕很难做出比人家高明的工作。但是,小刘却不这样看。他有从事纳米管研究的经验,认为虽然研究者众多,但能高产率地合成单 壁碳纳米管的并不多。而且,他似乎对合成单壁碳纳米管已经有一定的把握。另外,他现在已经申请了洪堡奖学金。能否申请成功,明年三月就知道了。如果拿到洪 堡奖学金的话,就只能在我们组工作半年多的时间。这么短的时间,开展一个新工作很难取得什么像样的结果。当然,最重要的还是我们组现有的气氛炉等设备不用 改动就可用来做碳纳米管。因此,我就决定让他继续他以前的工作,即用化学气相沉积法制备碳纳米管。 他 十月份正式到我们组工作。他一到我们组,我就指定了一套装置专门供他用。按理说,他用这种方法做碳纳米管,是轻车熟路,不管产率高低、单壁或多壁,应该很 快就能得到纳米管。可是,世界上的事儿总是不如意的时候多。他,也不能例外。开始的时候,把硝酸铁的乙醇溶液和甲苯混在一块儿,用氩气带进加热的石英管 中,反应一段时间后,管壁上什么东西也没有。改变催化剂,把硝酸铁换成二茂铁,石英管温度由 600 ℃ 升高到 800 ℃ ,仍然什么也得不到。一直到温度升高到 1000 ℃,管壁上终于有一层黑色的沉积物。他很有信心地说,那就是纳米管。可是,拿到扫描电子显微镜下一看,只是一些直径从几百纳米到几微米的碳微球(图中标尺为 1 微米)。他觉得有些奇怪,也免不了有些失望。我看到那些大小还算均一的碳球,觉得用这些碳微球做模板制备空心的碳化硅微球应该不错,只不过这种模板可能有些昂贵。 这时候, 一个做甲烷部分氧化反应的研究生,孙卫中却在失活的镍催化剂上观察到大量的碳纳米管,而他的反应温度只有 600 ℃ 。小 刘看了他的电镜照片后笑着说,你比许多专门做纳米管的人做出来的纳米管还好。小刘把石英管的温度继续升高到 1150 ℃ , 管壁上的沉积物明显增加了,而且看上去象是一些蓬松的絮状物。因为许多用化学气相沉积法制备碳纳米管的反应温度都是在这个温度,所以我们都认为这回可能真 的是纳米管。由于产率仍然太低,小刘觉得可能是带进去的催化剂太少了。于是他做了些改进,把二茂铁催化剂放在一个瓷舟中,直接放在石英管中。这样石英管温 度升高后,催化剂也会随之气化,并在氩气流的带动下进入高温区。经过这样一个小小的改进后,谁也没料到反应结果竟然会大为改观。 最 为明显的结果是沉积物中出现了大量的碳丝状物。这些细丝长度可达几个厘米,比头发丝还细,大约只有头发的十分之一。用普通数码相机拍出来的照片,也能看出 是一些丝状物。虽然不会有这么粗的纳米管,但它总是一个一维的全部由碳组成的东西。碳纳米管也是一种一维碳,也许它们之间有些联系,说不定这些碳丝就是由 纳米管组成的呢。因此,我们都有些兴奋,毕竟我们朝着碳纳米管的方向前进了一步。在生成碳丝的反应中,氩气流速为每分钟 600 毫升。这时,小刘想起在韩国做实验时,后面还有一个泵专门抽氩气,目的就是让气流更快地把产物带出高温区。于是,他就把氩气流速提高到每分钟 1000 毫升以上,看看是不是能得到更多的碳丝状沉积物。 实验过程还和以前相同,在氩气流中先把石英管加热到约 800 ℃ ,然后把装有二茂铁催化剂的瓷舟快速放进石英管中氩气流入的一端。然后,让氩气流通过甲苯进入石英管,同时以每分钟 5 ℃ 的速度升温到 1150 ℃ ,并保持在该温度,直到催化剂挥发完。也就是说,其它条件完全相同,只是 氩气流量增加了。他本来是期望得到等多的碳丝状沉积物,但结果却恰恰相反。反应一结束,就发现管壁上的沉积物明显变少了。等到炉子彻底冷下来后,拿出热偶管,才发现热偶管头上还粘着一个羽毛状的东西,有将近 10 厘 米长,在空气流中翩翩起舞呢。我们觉得挺新鲜,就用数码相机拍下了它的照片。为了标明它的高度,我们还特意在它旁边放了一把尺子。照片经过简单处理(水平 方向拉伸,垂直方向压缩)后,就变成了右图的样子。我喜欢摄影,以前在国外的时候拍了很多照片,但令我特别满意的屈指可数,一张埃菲尔铁塔的,一张勃兰登 堡门的,还有一张在波茨坦拍的。对这幅照片我很满意,觉得它也许是我这个业余摄影爱好者的又一幅得意之作呢。 欣 赏过照片之后,我不得不把思绪再回到目前的工作中来。反应炉中为什么会长出羽毛状的东西来呢?依稀中,我觉得最近看见过一篇综述文章,题目好像就叫气流 中的羽毛状图案。我已经下载了这篇文章,但没有仔细读。于是,赶紧检查最近下载过的文章,很快就找到了。那篇文章是几个意大利人写的,发表在 2003 年 8 月份的新物理学杂志( New Journal of Physics )上。粗粗地浏览了一下,文中有许多复杂的数学公式,还有几张计算机模拟出来的彩色流场图,没有什么羽毛状图案( Plume patterns )的照片。因此,我也就没兴趣去抠那些我看不懂的数学方程。我打印了一份给小刘,没过多久他就告诉我:看不懂。我想,他大概也和我一样,对那篇文章不感兴趣。 眼看着 2003 年就过去了。今年的农历春节又特别早,在 1 月 22 号。所以,一过元旦,所里好多部门都不愿意再工作了。我们想用电镜仔细看看我们的碳羽毛,但一个星期都找不到所里做电镜的人,只好去太钢做。 1 月 12 号,也就是离春节满打满算只有一个礼拜多了,小刘和郝雅娟去太钢做实验。我心里由衷地感谢他们这种对待科研工作的精神。 第二天一上班,他们就叫我看照片。肉眼看到像羽毛一样的东西,在电镜下看时就像密密麻麻的树林。再继续放大,树干、树枝以及树枝上的分叉都看得清清楚楚。更加有意思的是,可以看到许多像糖葫芦似的树枝。这些糖葫芦状树枝是由直径在 3 到 5 微 米的碳微球形成的。再看看我们用数码相机拍的那张照片,我觉得它更像一株挺立在冽冽寒风中的白杨树。这时,我的脑海中飞快地闪现出一幅幅由计算机产生出来 的树状图案。由于我在十年前就开始研究起分形了,所以各种各样的分形图案早就深深地刻在脑海中了。眼前电镜照片显示的不断分叉的结构,表明它具有分形特 征,也就是说我们现在得到的是一棵具有分形结构的全部由碳组成的微观树。 分形在科学上还算是一个新概念。它是一个叫芒德布罗( Benoit B Mandelbrot ) 的美籍法国人在上世纪七十年代提出来的,用来表示那些不能用欧几里德几何描述、但却具有一定自相似或自仿射结构的对象。自相似或自仿射表示一个对象的局部 放大后的图象和对象整体具有某种相似性。比如,弯弯曲曲的海岸线、坑坑洼洼的表面,你不能把它们简单地看作一维或二维的,因为它们并不符合一维或二维图形 的特征。 那么,一维和二维图形有什么特征呢?我们知道,一条一维的线段有一个长度,不管你用 1 厘米还是 1 米或者 1 千米的尺子去量,这个长度是不变的。变化的只是你的工作量, 1 千米的线段用 1 千米的尺子量 1 次就行了,用 1 米的尺子就得量 1000 次。要是你只有 1 厘米的尺子,你就不得不量 100000 次,这可不是一件轻松的工作。因此,做一件事之前,最好先检查检查自己的工具,工欲善其事,必先利其器嘛。对于一个 1 平方千米的二维平面,我们也可以分别用 1 平方千米、 1 平方米或者 1 平方厘米的二维尺子去测量它的面积,当然付出的劳动会成几何级数增加。如果用 d 表示尺子长度,用 N 表示测量次数,我们就会发现存在一个关系式: N d - d 在上面式子中, d 表示测量对象的几何维数,如 1 维、 2 维、 3 维等。这个简单的式子可以让测量者事先对自己的工作量有一个大致的估计。 对 于弯曲的海岸线或凹凸的表面来说,因为大尺度的尺子不能测量较小的弯曲部分,所以用不同的尺子测量不仅付出的劳动量不同,而且测量出来的结果也不相 同。显然,越小的尺子测出的结果越大。虽然付出的劳动多了,但收获也相应增加了。多劳多得,这可能也是大自然给我们定下的分配原则吧。那么,测量者还能不 能像上面那样,根据尺子的大小估计一下自己的劳动量呢?答案是肯定的。只不过式子要稍微改一下,把上面式子中的 d 改为 d f : N d - df 这个 d f 是一个分数,它表示我们测量的不是一个理想的欧几里德对象,而是一个具有自相似或自仿射结构的对象。芒德布罗给这种对象起了一个名字分形,相应地也把 d f 称为分维数,就是分数维数的意思。 简单地介绍完分形概念后,再回到我们眼前的碳树上来。这样一棵具有奇特结构的碳树,在我们的实验条件下是怎样形成的呢?在各种各样的分形生长模型中,有一个非常著名的扩散限制凝聚( Diffusion-Limited Aggregation ,简称 DLA )模型。这个模型是由两个美国科学家 Sander 和 Write 在 1983 年提出来的,发表在著名的物理学评论快报( Physics Review Letters ) 上。简单地说,这个模型就是先在正方形网格中央放一个种粒子(简称种子),然后从离种子较远的地方释放和种子完全相同的粒子。这个新释放的粒子可以在网格 中随机行走,直到它遇到种子后停止,也成为一个种粒子。前一个粒子停止后,再释放另一个粒子。重复这个过程,就得到一个非常疏松的大颗粒,即 DLA 团簇,它是一个典型的分形,分维数大约为 1.7 。这种团簇和卧室衣柜上面落的灰尘以及烟筒里的煤灰非常相似,于是受到广泛重视。后来,还有不少人对这种模型进行改进,比方说只从一个固定的方向上释放粒子,这样就得到了与 DLA 团簇稍有区别的树状团簇。 看着那些密密麻麻的森林和糖葫芦状的树枝,我马上就想到这种碳树结构的形成可能和 DLA 团簇类似。 (郭向云2008年7月2日发表于科学网个人博客)
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自相似——大自然的艺术
eloa 2008-10-29 12:19
andrewsun 发表于2008-10-29 星期三 0:00 Why is geometry often described as cold and dry? One reason lies in its inability to describe the shape of a cloud, a mountain, a coastline or a tree. Clouds are not spheres, mountains are not cones, coastlines are not circles, and bark is not smooth, nor does lightning travel in a straight line. 为什么几何学常被认为是冷酷、枯燥?其中一个原因就是它无法描述云彩、山峦、海岸、树木我们美丽的大自然。云朵不是一些球形,山峦不是一些圆锥,岛屿不是一些圆形,树皮是不光滑的,闪电也不沿一条直线。 B. Mandelbrot Koch曲线 自相似性是指每一任意小的局部的形状都与整体相同,例如,Koch曲线就是一个自相似性的图形。 在自然界中,许多自发生长的结构都具有自相似性。以下是一些自然界的自相似结构: 树叶 青苔 蜂蜜的结晶 树冠 这些自相似的形状,在数学上叫做分形。 分形行走于维度之间 回到文章第一段提到的Koch曲线,它是怎样画出来的呢?首先画一段长度为1的线段,然后擦掉中间的一部分,改成一个等边三角形,其边长和它两边擦剩下的线段长度相等,得到四条线段。然后再对这四条线段做同样的事情,无止境地做下去这就是Koch曲线。 Koch曲线的长度是多少呢?数学家量曲线长度的办法是逼近法,如下图所示: 我们先用逼近法量一个半径为1圆的周长。最粗略的近似是它的内接三角形的周长,然后是内接四边形、内接五边形内接N边形。把这些N边形的周长画在坐标图中,可见当N增大时,N边形的周长越来越逼近一个确定值。当N无穷大时,这个N边形的面积就等于圆的周长:2。 现在采用逼近法量一下Koch曲线的长度: 我们重走一次画Koch曲线的过程来逼近最后Koch曲线的长度。还记得Koch曲线怎么画吗?第一次画的是长度为1的线段,显然,Koch的长度 是大于1的。第二次画的折线,长度是多少呢?中间的等边三角形边长是1/3,因此折线的总长是4/3。显然,Koch的长度比4/3要大。第三次,画的折 线长度是16/9,即(4/3) 2 ,读者可以自己算一下。这仍然小于Koch的长度。第四次,(4/3) 3 =64/27,还是不够长第N次,长度是(4/3) N 。 很显然,不管我们画的折线有多少折,Koch曲线总是比折线长度要大的。我们希望,当N为无穷大时,折线的长度能至少能逼近一个确定的值,而它就是 Koch的长度。我们把折线长度随N不断增大的趋势画在坐标图上看看很不幸,随着N不断增大,折线的长度不是逼近一个确定值,而是趋于无穷大。例如, 当我们画到第128折线时(N=128),它的长度已经是(4/3) 128 1光年!而Koch曲线肯定要比这条折线大。由于Koch曲线是无限自相似下去的,因此它的长度是无穷大的。 您有本事在距离为1的两点间画一条无穷长的曲线吗?只准用有限面积的纸! 也许您说:可以!我就把这张纸涂满! 是啊,如果一条曲线绕弯绕得厉害,它最后是能占个面积的。我们不是常说,点动成线,线动成面,面动成体吗?如果你把一张有限面积的纸图满,您画的线所占的面积就是这张纸的面积。就让我们从1维上升到2维试试,看看Koch曲线占多大的面积。 我们还是采用逼近法,第一次,先画这个Koch曲线的外接三角形。它的底是1,高是就是第一次折线画的等边三角形的高,为根号3除以6,因此面积是 根号3除以12(记为A)。Koch曲线占的面积显然比这它的外接三角形要小。于是我们做第一次逼近,把Koch分成四个相似的部分,画四个外接三角形。 它们的边长是是原来大三角形的1/3,所以面积是(1/9)A,四个加起来就是(4/9)A,Koch曲线占的面积还要比这个小。第二次逼近,画了16个 三角形,它们的面积是原来大三角形的1/81,所以总的面积是(16/81)A,或(4/9) 2 A第N次画的所有三角形的面积就应该是(4/9) N A,但是Koch曲线占的面积还要比这个小。我们把第N次画的三角形总面积列在坐标图上,看看随着N的增大,面积会不会逼近于一个最小正值很不幸,随着N的增大,面积刷的一下就跌到零了。第100次画的三角形面积只有原来的610 -36 !由于Koch曲线是无限自相似下去的,因此它所占的面积为零。 如果请您用1段长度为无穷的线来涂满一块面积为0的形状,您能做到吗? 于是我们发现,Koch曲线是一个很奇怪的形状:当它是线,长度无穷;当它是面,面积为零。作为一维物体,Koch曲线太密了,作为二维对 象,Koch曲线又太疏了。事实上,Koch曲线是高于1维,低于2维的。它的维数在1与2之间,是一个非整数!非整数维度,是分形的一个重要特点。 幂律隐藏的异次元 Koch曲线的维度到底是多少呢?要说清楚这个问题,我们必须重新定义一下维度的概念。先来看看我们所熟悉的整数维的世界。 在一维世界里有一条线段,它的长度为1,我们用一个边长为1的正方形把它盖起来。如果用边长为0.5的正方形,要把这条线段盖起来就需要两个。如果 用边长为1/3的正方形,就得用3个。依此类推,如果要用边长为r的正方形,就要用N个,才能把长度为1的线段盖住。很显然N=1/r,或者写成N=r -1 。 还算简单吧,现在我们看2维世界,一个边长为1的正方形,要用多少个边长为r的正方形来覆盖呢?答案是r -2 。对于正方体,是r -3 。 粗略地说,如果一个几何图形总是可以用N=r -d 个边长为r的正方形(体)来覆盖,那这个几何图形就是d维的。N=r -d 是一个幂函数。因此,这一规律叫做幂律(power law) 如果盖不严,或者有多余的空间怎么办?我们来看如何覆盖一个三角形,发现有的小正方形就要盖住一些多余的空间了。看一下一个边长为1的三角形要用多少个边长为r的正方形来覆盖: N(1) = 1 N(1/2) = 3 = 1 + 2 N(1/4) = 10 = 1 + 2 + 3 + 4 N(1/8) = 36 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 N((1/2) n ) = 1 + 2 + 3 + + 2 n 可见,N=(1+r^(-n))*r^(-n)/2。我们把lgN与lg(1/r)的关系作图,发现,随着r的减小,图形趋于一条与y=2x平行的 直线,斜率是2。因此,虽然在一开始,d=-lgN/lgr不是一个定值,但是当r也就是小正方形的边长非常小的时候,d就等于2。在数学上的表 达就是极限lim r-0 (-lgN/lgr)存在且等于2。 为什么当正方形边长较大的时候有所偏离呢?原因就是有些正方形覆盖了多余的面积。当正方形边长减小的时候,这部分多覆盖了的面积也就小了。可以想象,如果正方形的边长无穷小,这部分多覆盖的面积就没了,所有正方形正好覆盖了那个大三角形。 所以,准确的维度定议应该是,当r非常小时,如果需要N=r -d 个边长为r的正方形覆盖一个几何图案,那这个几何图案就是d维的。在数学上,我们可以用极限来定义,图形的维数d=lim r-0 (-lgN/lgr)。这就是计盒维数(box counting dimension),又叫做Minkowski-Bouligand维数。 现在我们可以拿正方形来覆盖一下Koch曲线,它是多少维的(d=?)。 可见,N=3*4^n。d=lim r-0 (-lgN/lgr),所以我们拿lgN对lg(1/r)作图,得到的是一条直线,它的斜率是lg4/lg3,这个数大约等于1.26。因此Koch曲线是1.26维的。 下图是一个Gasket另一个著名的分形。它的维数是lg3/lg2,约等于1.58。因此Gasket是1.58维的。 随机分形偶然性背后的必然 这堆乱七八糟的正方形图案是不是自相似的? 如果试图在里面找到什么局部能跟整体相似,那必然是徒劳无功的。然而,如果我们换一个角度,统计一下不同大小的正方形数量,我们会发现: 一个边长为1/2的正方形(红) 3个边长为1/4的正方形(绿) 9个边长为1/8的正方形(深蓝) 27个边长为16/1的正方形(浅蓝) 可见,边长为r的正方形个数N之间呈幂律关系N=lg3*r -(lg3/lg2) 。同时,我们可以看到,取左下角四分之一的 区域,正方形个数呈相同的统计规律,再取左下角八分之一的区域,相面的统计规律仍然成立。这就是说,这堆乍看起来乱七八糟的正方形图案,在统计分布上是自 相似的,它是一个随机分形。它的任一局部的某项统计分布性质都与整体相似。它的维数是lg3/lg2,约等于1.58。 自然界中的很多看似无序的随机过程都属于随机分形。 细菌繁殖图案(养料稀少下) 人基因序列分布 揉皱的纸团中所含的空隙大小分布是自相似的 斑马的条纹的面积分布 聚合物分形的专家 聚合物是由很多结构单元首尾相接而形成的长链分子。没有高分子,自然界不会存在生命。因为蛋白质是聚合物、遗传物质DNA和RNA是聚合物、植物的 纤维素是聚合物。在我们的生活中,所有塑料、橡胶和纺织品都是聚合物,纸和木材来源于植物的纤维素,因此也是聚合物。其实聚合物分子本身就存在着很多随机 分形的行为。 无规线团 生活中,很少见到一条很长很软的东西自己处于伸直的状态,它们总是以这样或那样的形式弯曲起来。准确地说,一根长线恰好呈伸直的样子,不是不可能, 只是机率非常地低。不信,你可以拿一根毛线(要长一点的),让从一定高度自由地落到地上。不断重复,看看重复几次这根线团掉地上之后是直的。如果不考虑重 力和摩擦力,一根软的长线呈伸直状态的机率就更小了,基本可以说如果你不去拉它的话,它几乎不可能是伸直的。聚合物分子都是长链分子,跟它的直径相比,它 的长度可达几十到几百万倍。因此,聚合物分子链总是呈无规卷曲的状态,科学家形象地把它称作无规线团。 怎么描述无规线团呢?最常用的办法是把规线团看作盲人行走的轨迹。一个盲人自由地行走,每一步的方向都是随机选择,没有目的性的。但是他为了不走回 头路,每一走一步都在地上做了个记号。此后凡遇到了记号,他就再随机换个方向。当然了,这样做记号他还是会走回头方向的,只是起码他不会踩在他之前踩过的 地方罢了。他做的记号,实际上就成为了他行走的轨迹。不过,为了与聚合物分子链的真实情况相对应,这个盲人是在三维空间里自由飞行! 我们看一下盲人行走的轨迹,就会发现他总不会无限度的往远处走,走远了总会兜回来一点儿。我们关心盲人在一定步数之后能比原来走多远。由于盲人每次 走的路线都不一样,所以我们等盲人每走一定的步数之后就把它纠回到原点重走,折腾他个上千次。把每次走出的轨迹的首末距离取个平均数,我们就会发现,这个 平均距离R与盲人所走的步数n之间呈幂律关系R=k*n 0.6 。在每条轨迹中任取一段相同步数的局部,来计算平均首末距离平均数与所取步数间的关系都是一样的,这说明,盲人行走的轨计在统计上具有自相似性。聚合物分子链的无规线团就是盲人行走的轨迹,它是一个随机分形。 扩散置限 现在我们为盲人设立一个固定目标,盲人在空间里自由行走时,只要碰到了那个目标,就可以原地不动了,否则就必须无止境地寻寻觅觅。现在,我们再找来 好多盲人,一起放到空间里去乱跑,谁找到目标就站着不动,如果找不到目标,如果能找到已经站着不懂的盲人,那也可以就近站立了。这样的话,以目标为中心就 会向外排着好多站着不懂的盲人。这些盲人排成的图案是怎样的呢?科学家们把这样形成的图案叫做扩散置限聚集(diffusion limited aggregation)。 对于这堆盲人排成的图案,我们关心人数的空间分布。在这个图案中随便划一个半径为r的区域,人数N与所划区域的半径r呈幂律关系N=k*r 2.5 ,无论在哪里划多大的区域,都有这样的规律,因此,扩散置限聚集的图案是自相似的。聚合物薄膜的结晶形貌就是一个扩散置限聚集图案。 渝渗从蛋花汤到蒸水蛋 聚合物的第三个分形好戏是聚合物凝胶。聚合物凝胶在生活中到处可见煮熟的鸡蛋白就是一个最好的例子。鸡蛋有很多种做法,除了把鸡蛋整个煮熟之外,还可以打散,加点水,蒸个葱花水蛋。水加多了,这水蛋就会变得稀稀拉拉的了,水太多的话甚于成不了形,最终变成蛋花汤了。 聚合物凝胶化基本上可以理解为蒸水蛋的过程,经过研究发现,在聚合物从溶液形成凝胶的过程中,聚合物先是局部形成聚集体(cluster)(图中红 色部分),处于聚集体溶液(cluster sol)的状态,就好像一锅蛋花汤;这样的聚集体不断生长、合并;最终,当最大的聚集体接触到了容器的各个边界之后(图中绿色部分),体系就失去流动 性,形成了凝胶,变成一碗蒸水蛋了。这时,体系里还有其他较小的聚集体存在,它们继续增长,陆续与最大的取集体合并,直到最后所有能反应的聚合物都耗 尽为止。如果聚合物浓度太稀,聚集体还没充分生长,可反应的聚合物就耗尽了,那就没机会形成跨越反应器的统一网络了,反应就只停留在了聚集体溶液也就 是蛋花汤的水平。因此,形成凝胶的关键是点是最大的聚集体增大到能连接容器边界的那一点,称为临界点。 这一蛋花汤-蒸水蛋的比方,科学上称为渝渗(percolation)模型。在渝渗模型里,我们关心的是聚集体的尺寸分布。如果我们按尺寸大小给聚集体分组,然后数一下每组的聚集体个数,就会发现尺寸为s的聚体集个数N的关系在临界点的时候呈幂律关系N=k*s 2.2 。 这说明,在蛋花汤变成蒸水蛋的临界点时,汤里蛋花尺寸的分布是自相似的,属于随机分形。为什么只有在临界点的时候才是分形呢?离开了临界点,蛋花 尺寸的分布就偏离幂律了:在临界点之前,小蛋花数量太多了,而在临界点之后,大蛋团的数量太多了,因此恰好在临界点时,大大小小的蛋花分布刚好符合幂律关系。 转载原创文章请注明,转载自: 科学松鼠会 本文链接: http://songshuhui.net/archives/3331.html
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