Kształty fraktalne są obecne w przyrodzie. Na zdjęciu ilustracyjnym jesienny liść (Andrew Martin / Pixabay)
Geometryczne obiekty, jakimi są fraktale, dawniej zwano „matematycznymi potworami” lub „wyrzutkami”. Dziś wiedza na ich temat pozwala rozwijać telekomunikację, bezpieczeństwo przesyłu danych czy rozrywkę – gdy korzystają z niej twórcy kinowych efektów specjalnych – mówi w rozmowie z PAP prof. Andrzej Katunin z Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Fraktale to twory matematyczne, przedstawiane w graficznej postaci jako bardzo złożone obiekty o określonych cechach. Jedną z nich jest samopodobieństwo, które oznacza, że fraktal oglądany w skali mikro i makro wygląda tak samo. „Ideę fraktala można przybliżyć, przyglądając się kalafiorowi, który zbudowany jest z różyczek, a te – z jeszcze mniejszych, i kolejnych. Mniej typowym prostym modelem fraktali mogą być matrioszki rosyjskie: jednakowe figurki, schowane jedna w drugiej” – mówi prof. Katunin, inżynier, popularyzator nauki i entuzjasta matematyki.
Dlaczego ludzie mieliby się interesować fraktalami? „Wielu przyciąga ich estetyka wizualna. Mają też wiele zastosowań. Z dziwolągów i potworów – jak fraktale nazywano sto lat temu – powstały nowoczesne narzędzia, dające początek zaawansowanym badaniom naukowym w zakresie dynamiki układów, mające zastosowanie niemal w każdej dziedzinie nauki. Bez fraktali nie byłoby wielu obecnych osiągnięć w różnych dziedzinach życia” – dodaje naukowiec.
Ideę fraktali można zrozumieć, przyglądając się kalafiorowi. Zbudowany jest z różyczek, a te z jeszcze mniejszych różyczek, i jeszcze mniejszych różyczek. Na zdjęciu ilustracyjnym zielony kalafior romanesco (Albrecht Fietz / Pixabay)
Przypomniał, że za punkt zwrotny – moment, od którego na fraktale zaczęto spoglądać jak na narzędzie – odpowiada Benoît Mandelbrot. Ten urodzony w Warszawie (1924 r.) matematyk nazwany został ojcem geometrii fraktalnej, a przełomem były prowadzone przez niego badania wahań cen bawełny. Przyglądając się danym, Mandelbrot nie uwzględniał dni, tygodni czy miesięcy, a o wiele dłuższy okres: ponad wieku. I choć na początku spodziewał się, że ceny kształtowane są losowo – analizując dane, dostrzegł prawidłowości i podobieństwa, co doprowadziło go do opracowania narzędzi do analizy, a nawet do prognozowania cen. „Dziś w naukach ekonomicznych analiza fraktalna jest już narzędziem klasycznym, szeroko wykorzystywanym m.in. do badania giełdy, wahań cen, zachowań walut itd.” – podsumował naukowiec.
Zastosowań fraktali jest zresztą dużo więcej. Jeden z fraktali nosimy nawet w kieszeni – zwraca uwagę prof. Katunin. Chodzi o telefon komórkowy, a właściwie jego antenę. W różnych częściach świata, np. w USA czy Europie, istnieją różne standardy GSM, które określają, na jakich częstotliwościach telefon nadaje i odbiera sygnał. Dzięki fraktalnemu kształtowi antena działa we wszystkich pasmach – niezależnie od tego, w której części świata jest właściciel telefonu.
Bez fraktali nie byłoby nawet widowiskowych efektów specjalnych w kinie. Znajomość tych form pomogła najpierw tworzyć realistyczne wizualizacje krajobrazów w filmach. Bardziej zaawansowane wizualizacje krajobrazu jednej z planet pojawiły się m.in. w 2. części filmu „Star Trek”, a później np. w „Ostatnim gwiezdnym wojowniku”, „Apollo 13” – gdzie za pomocą algorytmów fraktalnych zobrazowano powierzchnię Księżyca, czy „Gniewie oceanu” – w którym fraktali użyto do symulacji huraganu Grace. Fraktalne algorytmy wykorzystano też do wygenerowania lawy w słynnej scenie walki na miecze świetlne pomiędzy Obi-Wan Kenobim i Anakinem Skywalkerem w 3. części „Gwiezdnych Wojen” (z 2005 r.). Efekty fraktalne można też znaleźć w „Lucy” Luca Bessona (z 2014 r.), 2. części „Strażników galaktyki” (2017 r.) czy „Doktorze Strange” (2016 r.), w którym aż roi się od fraktali, a oparte na nich efekty zapierają dech w piersiach – wymienia prof. Katunin, autor książki „Fraktale. Matematyczne potwory, które odmieniły postrzeganie świata”.
Fraktale to twory matematyczne, przedstawiane w graficznej postaci jako bardzo złożone obiekty o określonych cechach. Na ilustracji wyobrażenie fraktali (Charles Thonney / Pixabay)
Zaznacza on, że fraktale wkroczyły nawet do biologii i medycyny – w takim sensie, że pomagają zrozumieć budowę i działanie wielu układów i struktur, np. układu nerwowego, płuc czy tkanki kostnej. Dzięki fraktalnej strukturze uzyskują one wyjątkowe cechy, takie jak sztywność i lekkość jednocześnie.
Dzięki fraktalom dynamicznie rozwija się kryptografia. „W szyfrowaniu danych, zwłaszcza wrażliwych, ważna jest kwestia generowania kluczy, np. do kont bankowych, kart kredytowych i do zabezpieczania operacji wykonywanych tymi kartami. Tam również wykorzystywane są fraktale wielowymiarowe w przestrzeniach hiperzespolonych” – mówi Andrzej Katunin.
On sam – bazując na wiedzy związanej z geometrią fraktalną – bada uszkodzenia struktur lotniczych i wykrywa usterki, niewidoczne przy użyciu klasycznych urządzeń pomiarowych. „Części samolotów, wykonane z materiałów kompozytowych – np. elementy poszycia, usterzenia, pionowych i poziomych stateczników samolotów – wymagają ciągłej inspekcji i okresowych badań. Można to robić różnymi metodami, począwszy od zwykłych oględzin, po wykonywanie różnego rodzaju pomiarów. Jeśli w jakimś miejscu maszyny pojawi się nawet bardzo małe pęknięcie, lokalnie oznacza ono obniżenie sztywności materiału. W pomiarach wykrywamy je, widząc niespójność powierzchni lub też niespójność sygnału, jaki z niej pozyskamy. Właśnie taką niespójność potrafi wyłapać specjalny algorytm, związany z wymiarem fraktalnym. Ja ujawniam uszkodzenia, które nie są widoczne w sygnałach z klasycznych urządzeń pomiarowych. Pracuję też nad poprawą wrażliwości tych metod; nad tym, żeby można było wykrywać coraz to mniejsze uszkodzenia” – opowiada inżynier.
Płatki śniegu obserwowane z bliska (Free-Photos / Pixabay)
Kształty fraktalne obecne są w samej przyrodzie. „Na podstawie badań, którymi dysponujemy, można uznać, że ma to związek z powszechnym w przyrodzie zjawiskiem samoorganizacji. W skali mikro regułom samoorganizacji podlega np. rozrost bakterii czy pleśni, których swobodna hodowla kształtem przypomina fraktal. W skali mezo charakter fraktalny ma kształt prądów morskich, koryt rzek, obłoków czy błyskawic. Cechy fraktalne ma też proces kształtowania się górotworu, na który wpływa wiele czynników: ruchy tektoniczne, działanie jądra ziemi, wulkanów itd. Natomiast w skali makroskopowej strukturę fraktalną mają gromady galaktyk” – wymienia Andrzej Katunin.
Obecne w przyrodzie fraktale podpatrują ludzie, przenosząc je do rozwiązań inżynieryjnych, a także do architektury i sztuki. „Cechy fraktali można odnaleźć w architekturze sakralnej, np. świątyni w Indiach. Już w czasach starożytnych powstały księgi, które można dziś uznać za podręczniki z instrukcjami, jak takie świątynie budować. I te fraktale już tam są! Bierze się to również ze stosowanej w danej kulturze symboliki. Niektóre świątynie hinduistyczne, zwłaszcza charakterystyczne dla północnych Indii, bazują na symbolach nazywanych mandalami – które również mają cechy fraktalne. Stworzyli je dawni mieszkańcy Indii, opierając się na sposobie pojmowania budowy wszechświata. Cechy fraktalne pojawiają się w architekturze właśnie dlatego, że ludzie widzą je w przyrodzie. A do tego po prostu nam się podobają, co może wynikać z ich nieskończonej złożoności” – podsumowuje naukowiec z PŚ.
On sam – co najmniej odkąd naukowo zajmuje się fraktalami – dostrzega je praktycznie wszędzie: „struktury fraktalne można zobaczyć w najbardziej prozaicznych sytuacjach – zimą w kształtach szronu na oknie, dymie z komina, parze wylatującej z czajnika. Nawet prowadząc badania, bo wżery rdzy na elementach lotniczych to też kształty fraktalne. Zaskakujące jest odkrywanie fraktali w coraz to nowych miejscach. Widzi je też moja żona, która jest naukowcem, a fraktalami ‘zaraziła’ się ode mnie”.
Autorka: Anna Ślązak, PAP.
