Фрактальная геометрия природы

До тех пор смысл термина размерность математики представляли себе довольно расплывчато. Конфигурация считалась E - мерной, если наименьшее количество вещественных параметров, необходимых для описания (неким неопределенным образом) ее точек, равнялось E . Опасность и несостоятельность такого подхода стали очевидными благодаря двум выдающимся открытиям конца XIX в.: канторово однозначное соответствие между точками прямой и точками плоскости и непрерывное отображение интервала на всю площадь квадрата, продемонстрированное Пеано. Первое подорвало всеобщую уверенность в том, что плоскость богаче точками, нежели прямая, и показало, что размерность можно изменять однозначным преобразованием. Второе опровергло убеждение, что размерность можно определить как наименьшее число непрерывных вещественных параметров, требуемых для описания пространства, и показало, что с помощью однозначного непрерывного преобразования размерность можно увеличить.

Остался, однако, открытым один чрезвычайно важный вопрос: возможно ли установить соответствие между евклидовыми пространствами с размерностями E и E₀, которое сочетало бы в себе признаки построений Кантора и Пеано, т.е. соответствие, которое было бы одновременно однозначным и непрерывным? Вопрос этот можно с полным правом считать ключевым, так как существование указанного преобразования евклидова - пространства в евклидово же -пространство означало бы, что размерность (в ее естественном понимании, заключающемся в том, что размерность E-пространства равна E) не имеет абсолютно никакого топологического смысла! Как следствие, класс топологических преобразований оказался бы в этом случае чрезмерно широким для того, чтобы остаться хоть сколько-нибудь полезным для практического геометрического применения.

Первое доказательство того, что евклидово -пространство и евклидово E₀-пространство являются гомеоморфными только в том случае, когда E=E₀, было дано Брауэром в 1911 г. (см. [57], т.2, с. 430 – 434; особый случай E₀≤3 и E>E₀ был рассмотрен в 1906 году Й. Люротом). Однако в этом доказательстве не указывалось в явном виде какое-либо простое топологическое свойство евклидова -пространства, которое отличало бы его от евклидова -пространства и обусловливало бы невозможность гомеоморфизма этих пространств. Более сильный в этом смысле оказалась процедура, предложенная Брауэром в 1913 г., когда он ввел целочисленную функцию пространства, топологически инвариантного по самому своему определению. В евклидовом пространстве эта функция всегда принимает значение E (оправдывая тем самым свое название).

Тем временем Лебег подошел к доказательству того, что размерность евклидова пространства топологически инвариантна, с другой стороны. В 1911 г. (см. [295], т.4, с. 169 – 210) он отметил, что квадрат можно покрыть произвольно малыми "плитками" таким образом, что ни одна точка квадрата не будет содержаться в более чем трех таких плитках; однако если плитки достаточно малы, то, по меньшей мере, каждые три из них имеют общую точку. Аналогичным образом может быть разбит на произвольно малые кирпичики куб в евклидовом -пространстве так, что общую точку будут иметь не более чем E+1 таких кирпичиков.

Лебег предположил, что это наименьшее число не может быть меньше E+1, т.е. при любом разбиении на достаточно малые элементы должна существовать точка, общая для, по меньшей мере, E+1 этих элементов. (Теорема доказана Брауэром в 1913 г.) Теорема Лебега указывает и на топологическое свойство, отличающее евклидово E- пространство от евклидова E₀- пространства, и тем самым также предполагает топологическую инвариантность размерностей евклидовых пространств».

Об относительных вкладах в развитие теории размерности Пуанкаре, Брауэра, Лебега, Урысона и Менгера можно прочесть в заметках Х. Фрейденталя в [57] (т. 2, глава 6) и Менгера (см. [428], глава 21).

Фрактальная размерность и Дельбёф. Эта история гораздо более проста: фрактальная размерность появилась, практически, во всеоружии из трудов Хаусдорфа. Однако без налета таинственности не обошлось и здесь. В самом деле, у Рассела, например, нет ни единого слова о бурях, что бушевали тогда вокруг Кантора и Пеано, но зато есть любопытное примечание ([506], с. 162): «Дельбёф, правда, говорит о геометриях с размерностями вида m/n, но не указывает при этом никаких источников (Rev. Phil. T. xxxxvi, с. 450)». Дельбёф, стало быть, заслуживает нашего особого внимания (см. также раздел масштабная инвариантность по лейбницу и лапласу), однако и после самых тщательных поисков (в которых мне помогал Ф. Фербрюгген) я не смог обнаружить в работах Дельбёфа больше никаких намеков на фрактальную размерность.