英国的海岸线有多长?
用更细的尺子去量海岸线,它只会越量越长——它真正的「长度」,是一个分数维。
问英国的海岸线有多长,诚实的回答是:这取决于你的尺子——尺子越细,海岸越长,且看不到尽头。
把这个想法拆开看
用一把长尺去量海岸,你会跨过那些小海湾和小岬角,量出一个不大的长度。换一把短尺,你便能描进那些海湾——可海湾里还有更小的海湾,更小的海湾里还有更小的。每一次把尺子缩短,你都会捕捉到更多的皱褶,总长度随之增长。它永远定不下来。
所以「它有多长?」并没有唯一的答案。真正有答案的,是当尺子缩小时长度增长得有多快——曼德布罗把这个增长率,叫作维数。一条直线得 1 分;曲线越是蜷曲,它就越高过 1。英国崎岖的西海岸,算出来大约是 1.25。
它从哪里来
这道谜题,一直藏在众目睽睽之下。多年前,气象学家刘易斯·弗莱·理查森在研究「什么让国家走向战争」时注意到:各种参考书对西班牙与葡萄牙边界的长度,说法相差悬殊——因为每本书用的尺子不同。他收集了数据,从中找到了一个干净的规律,却在深究之前去世了。本华·曼德布罗,一位在 IBM 任职、偏爱别人不屑一顾之难题的不安分数学家,接过了它,看出那个规律意味着某种维数,并在 1967 年以一个听来像孩子提问的标题发表了它。许多年后,他为整个学科起了名字:分形。
它为何重要
两千年来,几何讲的都是光滑、理想的形状——直线、圆、球——这些大自然几乎从不制造的东西。海岸线、山脉、云、树、河流与肺,是粗糙、破碎、分叉的,而旧几何没有一种诚实的办法去描述它们。这篇论文给出了一种:用一个分数维来度量粗糙。它把「崎岖」从一个含糊的印象,变成了一个你能计算、能比较的量。
一个浑身是岸的形状
想象一片雪花的边缘,由一条简单的规则造出:取一条线,从它中间三分之一处推出一个三角形的凸起,然后对每一条新生的边重复同样的事,永不停止。在任何地方放大,你都会看到凸起之上的凸起、之上的凸起——这条边在每一个放大倍数下都同样蜷曲。真实的海岸线也是如此:它的一小段放大之后,与整体相像。在下方亲手把尺子缩小,看长度怎样攀升。
它落在何处
这是几何为大自然的粗糙腾出位置的时刻。它从欧几里得的光滑图形(本馆亦有收藏)中叛逆而生,又与混沌理论接壤:爱德华·洛伦兹 1963 年发现的奇怪吸引子,也是分形。十来年后,同样的算术造出了曼德布罗集合——数学中最著名的图像——以及每一款现代电子游戏里的分形地形。
Geographical curves are so involved in their detail that their lengths are often infinite or, more accurately, undefinable.