Σχεδόν ο καθένας μας έχει θαυμάσει κάποιες εικόνες fractals από αυτές που κυκλοφορούν κατά χιλιάδες σε ημερολόγια, περιοδικά, ψυχεδελικά σχέδια κλπ. Η χρήση τους επεκτάθηκε από τη στιγμή που μπήκαν εδώ και είκοσι χρόνια τα computers αφού είναι σύνθετα σχέδια που δημιουργούνται με τη βοήθεια πολύπλοκων υπολογισμών. Αλλά ενώ οι εικόνες είναι πολύπλοκες, το πρόγραμμα (software) που απαιτείται δεν είναι, αφού η σχεδίαση των εικόνων βασίζεται στην επανάληψη ενός μοτίβου, που σχεδιάζεται με τη βοήθεια μιας συνάρτησης.
Με τον διεθνή όρο φράκταλ (fractal, ελλ. μορφόκλασμα ή μορφοκλασματικό σύνολο) στα Μαθηματικά, τη Φυσική αλλά και σε πολλές επιστήμες ονομάζεται ένα γεωμετρικό σχήμα που επαναλαμβάνεται αυτούσιο σε άπειρο βαθμό μεγέθυνσης, κι έτσι συχνά αναφέρεται σαν "απείρως περίπλοκο". Το φράκταλ παρουσιάζεται ως "μαγική εικόνα" που όσες φορές και να μεγεθυνθεί οποιοδήποτε τμήμα του θα συνεχίζει να παρουσιάζει ένα εξίσου περίπλοκο σχέδιο με μερική ή ολική επανάληψη του αρχικού. Χαρακτηριστικό επομένως των φράκταλ είναι η λεγόμενη αυτο-ομοιότητα (self-similarity) σε κάποιες δομές τους, η οποία εμφανίζεται σε διαφορετικά επίπεδα μεγέθυνσης.
Ο όρος προτάθηκε από τον Μπενουά Μάντελμπροτ (Benoît Mandelbrot) το 1975 και προέρχεται από τη λατινική λέξη fractus, που σημαίνει "σπασμένος", "κατακερματισμένος".
Τα φράκταλ σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να προκύψουν από τύπο που δηλώνει αριθμητική, μαθηματική ή λογική επαναληπτική διαδικασία ή συνδυασμό αυτών. Η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα των φράκταλ είναι ότι είναι γενικά περίπλοκα ως προς τη μορφή τους, δηλαδή εμφανίζουν ανωμαλίες στη μορφή σε σχέση με τα συμβατικά γεωμετρικά σχήματα. Κατά συνέπεια δεν είναι αντικείμενα τα οποία μπορούν να οριστούν με τη βοήθεια της ευκλείδειας γεωμετρίας. Αυτό υποδεικνύεται από το ότι τα φράκταλ, όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, έχουν λεπτομέρειες, οι οποίες όμως γίνονται ορατές μόνο μετά από μεγέθυνσή τους σε κάποια κλίμακα.
Για να γίνει αντιληπτός αυτός ο διαχωρισμός των φράκταλ σε σχέση με την ευκλείδεια γεωμετρία, αναφέρουμε ότι, αν μεγεθύνουμε κάποιο αντικείμενο το οποίο μπορεί να οριστεί με την ευκλείδεια γεωμετρία, παραδείγματος χάριν την περιφέρεια μιας έλλειψης, αυτή μετά από αλλεπάλληλες μεγεθύνσεις θα εμφανίζεται απλά ως ευθύγραμμο τμήμα. Η συμβατική ιδέα της καμπυλότητας η οποία αντιπροσωπεύει το αντίστροφο της ακτίνας ενός προσεγγίζοντος κύκλου, δεν μπορεί ωφέλιμα να ισχύσει στα φράκταλ επειδή αυτή εξαφανίζεται κατά τη μεγέθυνση. Αντίθετα, σε ένα φράκταλ, θα εμφανίζονται κατόπιν μεγεθύνσεων λεπτομέρειες που δεν ήταν ορατές σε μικρότερη κλίμακα μεγέθυνσης.
Φράκταλ απαντώνται και στη φύση, χωρίς όμως να υπάρχει άπειρη λεπτομέρεια στη μεγέθυνση όπως στα φράκταλ που προκύπτουν από μαθηματικές σχέσεις. Ως παραδείγματα φράκταλ στη φύση, αναφέρονται το σχέδιο των νιφάδων του χιονιού (Koch), τα φύλλα των φυτών ή οι διακλαδώσεις των αιμοφόρων αγγείων.
Οι περισσότεροι από μας όταν ακούνε σχέδια ή σχήματα έχουν στο μυαλό τους κάποια ευκλείδεια γεωμετρικά σχήματα. Αλλά τα fractals διαφέρουν από αυτά σε δύο παράγοντες:
1. Οι εικόνες αυτές είναι όμοιες προς εαυτόν. Ετσι αν κοιτάξουμε ένα μικρό τμήμα ενός fractal θα δούμε πως είναι όμοιο με ένα μεγαλύτερο τμήμα. Αν μεγεθύνουμε το μικρό, θα δούμε πως αυτό περιέχει και πάλι όμοια μέρη κ.ο.κ.
2. Οι fractal εικόνες είναι ανεξάρτητες από κλίμακα. Αντίθετα με τα ευκλείδεια σχήματα, δεν έχουν ένα χαρακτηριστικό μέγεθος μέτρησης.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα την αναγκαιότητα εισαγωγής των φράκταλ αναφέρουμε το εξής παράδειγμα:
Η περίμετρος ενός νησιού εννοείται ότι είναι ορισμένη. Ωστόσο, αν χρησιμοποιήσουμε ακρίβεια ενός μέτρου για να την μετρήσουμε, θα την βρούμε μικρότερη από ότι πραγματικά είναι γιατί δεν θα μπορέσουμε να μετρήσουμε τις κοιλότητες που είναι μικρότερες του ενός μέτρου. Αν μετρήσουμε με ακρίβεια ενός εκατοστού, πάλι θα χάσουμε ορισμένες κοιλότητες. Έτσι καταλήγουμε σε απειροστά μικρή μονάδα μέτρησης και η περίμετρος του νησιού θα γίνει άπειρη. Η επιφάνεια όμως του νησιού, η έκτασή του δηλαδή, είναι ορισμένη. Το παράδοξο αυτό, το οποίο η Ευκλείδεια Γεωμετρία αδυνατεί να εξηγήσει, αντιμετωπίζεται με τα φράκταλ.
Μια μικρή κοινότητα ερευνητών με επικεφαλή το στατιστικό φυσικό Luciano Pietronero του πανεπιστημίου της Ρώμης, υποστηρίζουν ότι οι γαλαξίες σχηματίζουν μια δομή που δεν είναι καθόλου ομαλή: μερικά μέρη τους έχουν πολλή ύλη, άλλα όχι, αλλά η ύλη βρίσκεται στα ίδια μοτίβα, σε μεγάλες και μικρές εκδόσεις, σε οποιαδήποτε κλίμακα κι αν το βλέπουμε. Με άλλα λόγια, ο Κόσμος είναι φράκταλ.
‘Ενας φράκταλ Κόσμος θα μπορούσε να υπονομεύσει τις πιο βασικές υποθέσεις της κοσμολογίας. Όλες οι παρατηρήσεις που κάνουμε να εξαρτηθούμε σε μεγαλύτερη ή μικρότερη έκταση από την ιδέα ότι ο Κόσμος είναι ομοιογενής, λέει ο David Hogg του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, επικεφαλής μιας ομάδας φυσικών που αμφισβητεί την άποψη του Pietronero.
Αυτή η ιδέα ότι η ύλη απλώνεται λίγο πολύ ομοιόμορφα σε όλο τον κόσμο ενσωματώνεται στην κοσμολογική αρχή του Einstein. Ο Einstein το διατύπωσε μετά τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η οποία περιγράφει με ποιό τρόπο η κατανομή της μάζας κάμπτει το χωροχρόνο και δημιουργεί τη βαρύτητα.
Ο Γάλλος αστροφυσικός Laurent Nottale έχει αναπτύξει μια θεωρία που φέρνει τα φράκταλ σε ένα ολοκληρωτικά νέο επίπεδο. Σαν ερευνητής στο παρατηρητήριο Meudon στο Παρίσι, ο Nottale αποφάσισε να επεκτείνει την αρχή της σχετικότητας του Einstein – στην οποία οι νόμοι της φυσικής παραμένουν οι ίδιοι ανεξάρτητα από την κίνηση ενός παρατηρητή – σε μια θεωρία στην οποία οι νόμοι της φυσικής θα παρέμεναν οι ίδιοι ανεξάρτητα από την κλίμακα στην οποία ο κόσμος παρατηρείται. Διαπίστωσε έτσι ότι ο ελλοχεύων χωροχρόνος μιας τέτοιας θεωρίας θα έπρεπε να είναι φράκταλ.
Στη θεωρία του Nottale, που λέγεται σχετικότητα κλίμακας, ο κρυμμένος φράκταλ χωρόχρονος είναι πιο αξιοπρόσεχτος στον κβαντικό κόσμο. Η κβαντική συμπεριφορά, ισχυρίζεται, μπορεί να γίνει κατανοητή γεωμετρικά – τα σωματίδια κινούνται κατά μήκος φράκταλ τροχιών. Στις δε μεγάλες κλίμακες, το μοντέλο του θα μπορούσε να εξηγήσει ένα φράκταλ μοτίβο των γαλαξιών.
Η βαθύτερη ερώτηση στη φυσική είναι σήμερα πώς να ενοποιήσει πραγματικά το μικρό με το μεγάλο – και όταν έρθει με την ύλη της κλίμακας, τα φράκταλ μπορούν να αποδειχθούν ένα βασικό συστατικό.
Πηγές: Wikipedia & Physics4u.
