一个神奇的图案，让科学家窥见了宇宙的秘密

掌柜able

科学是否存在“尽头”？爱因斯坦认为，或许存在一个“大一统理论”， 用一段公式就可以解释和预测宇宙中的每件事情。这个理论，甚至可以解释宇宙的四大基本力，强合力、弱合力、电磁力和引力之间的相互作用，这样的理论也被称为“万物之理”。
可惜的是直到去世，爱因斯坦都没有找到这样的理论。那么宇宙真的是被设计好的吗？一段公式真的就能解释整个宇宙吗？
世界充满谜团 偶尔会有答案，大家好我是喱头哥，今天我们聊号称“上帝指纹”的曼德伯集合，点点关注，我们马上开始。
不可思议的“不约而同”



从历史的角度来看，世界上有太多的不约而同，比如各国的神话传说，都不约而同地认为人类的生存周期大约是1万年；古埃及金字塔上的人类终结期预言，和古印第安人传说中的末日预言，不约而同地相似等等。

从宇宙的视角来看，随着文明在不断地发展，人类对地球和宇宙之间的关系，有了越来越深入的了解。科学家们发现，宇宙运行的规律非常精妙，绝对不是一句简单的“自然形成”就可以解释的。



人类对宇宙的了解十分有限，依然无法回答一些终极之问，比如说人类从何而来，宇宙中有多少个星球、边界又在哪里，在浩瀚的星空之中，有没有和人类一样的文明存在。这些终极问题，想不到竟然从一幅美丽的几何图案中，找到了答案。

无处不在的分形
20世纪初，英国数学家刘易斯·弗莱·理德查森，漫步在英国的一种海滩时，突然发现了一件有趣的事：不论是海岸线本身还是海岸线上礁石的边缘，随意截取其中一小部分并且放大的话，看起来都和整体没什么区别，而且分得越精细，其周长越大。
类似的情况有很多，1904年是瑞典数学家科赫提出，假设有一个三角形，以它每个边的两个三等分点作为边，作出一个新的等边三角形，可以无限分下去，这就是著名的科赫三角形。类似的形状有很多，比如谢尔宾斯基三角形、康托尔集等。



直到1973年，法裔美国数学家伯努瓦·曼德博(Benoit Mandelbrot)，给类似的现象起了个名字，叫做分形几何，他也由此被称为分形之父。

那么，什么是分形几何呢？简单来说分形几何，就是一种几何学，研究的是无限复杂的几何图形。这些复杂的几何图形在一定的定义下，图形都是自我相似的。
所谓自我相似呢？就是一个物体的本身，和它一部分完全、或者是几乎完全相似，比如说罗马花椰菜。



罗马花椰菜非常漂亮，花球表面是由许多螺旋形的小花组成，小花以花球中心为对称轴，成对排列，神奇的是它的外形，是以一种特定的指数式螺旋结构生长的，而且所有部位都是相似体，掰开一段花菜，这一小段花菜，竟然和本体是一模一样的。

曼德博集合
这样的例子，在自然界和现实世界中非常之多，例如珊瑚、树枝、雪花等等。
如果用电脑生成一副分形图形，就会看到同样的基本图形会重复出现，而且图样的尺寸，会无止境地不断缩小。
那么对我们人类来说，分形几何有什么意义呢？它的意义就在于，如果客观事物具有自我相似的层次结构，那么局部与整体，在形态、功能、信息、时间、空间等方面，就会具有统计意义的相似性。也就是说，我们可以从一种极端的混沌中，发现一种极端有序的存在。
换句话说，分形就是既高度复杂、又特别简单，本来看似十分复杂的事物，实际上大多数，是可以用非常简单的公式来描述的。但是这种简单却并不简单，其中又蕴含着极端的复杂性。
来看一组奇妙的图形变换，大家发现了吗？当图形被无限放大的时候，我们可以看到一个奇妙的现象，那就是无论图形，被分解到何等的微观，最微观的图形和最初始的图形，是完全自我相似的。



这个图形也是数学家曼德博发现的，它是解释混沌理论的数学模型，也是数学领域最复杂的概念之一，这就是著名的“曼德博集合”。

曼德博是最早使用计算机图形，来创建和显示分形几何图像的人之一。1980年，曼德博用计算机发现了这个奇妙的、从简单规则图形中，创建出来的复杂的视觉图形，他发现那些被认为“粗糙”、“杂乱”或“混乱”的事物，实际上都是具有高度的、有序度(Degree of order)的性质的，例如云层或海岸线。
从数学的角度来讲，曼德博在复平面中，对一个简单的公式进行了迭代，于是就生成了我们看到的那么复杂的图形。
实际上这个公式和迭代运算，都非常的简单，但是产生的图形竟然是如此的结构精细、丰富多样，令人难以置信，十分不可思议。在传统几何学中，很难发现在如此简单的规律中，竟然蕴藏着如此复杂而生动的例子。



曼德博集合告诉我们，自然界中简单的行为，可以导致极为复杂的结果。曼德博集合的出现就像一道闪电，让研究宇宙学的科学家们脑洞大开，他们就想人类社会、乃至宇宙，是不是也可以用曼德博集合这样简单的模型，或者程序去描绘呢？

上帝指纹
曼德博又提出了分形宇宙的说法，他认为如果在我们的地球上分形无处不在，那我们有什么理由不认为宇宙就是一个分形呢？



实际上在很久以前，科学家们就已经开始思考这个问题，来试图破解宇宙的规律，甚至还由此产生了一门学问，被称为宇宙学原理。

人们认为，任何客观存在的物质，都有属于它们自己的规律，宇宙也不例外。牛顿找到了其中一个特征，那就是万有引力；而曼德博则是从分形的角度，来思考宇宙所具备的性质。
从宇宙的视角来看，无论是地球还是太空，都有着一种近乎完美的平衡状态。我们通过物理学上的能量守恒，和质量守恒定律，就可以看到这种平衡。
从100年前，天文学家哈勃确定河外星系存在后，人们开始意识到银河系代表不了整个宇宙，根据目前的研究结果，可观测宇宙中大约有两万亿个大大小小、形形色色的星系。


科学家们观测这些星系时，发现宇宙的确可能是一个分形结构，从宇宙中的任何方向和角度来看，似乎都是一样的，这就是宇宙学原理中比较流行的一种理论：宇宙的各向同性。

如果单纯地看太阳系甚至是银河系，你会发现宇宙并不完全对称。这里有太阳，那里没有，木星在这一侧，土星在另一侧……
但是将尺度放大到2亿光年、3亿光年甚至更多，就会发现宇宙在各个方向上，几乎完全是一样的。这里有星系，那里也有，这里有这么多，那里也有这么多。如此看来，宇宙的确具有各向同性，而且类似于一种分形结构。
如果说这种平衡是一种巧合，那么宇宙的诞生和人类的诞生，就像是曼德博集合图形的一种掩饰，恰恰诠释了这种巧合中，所含有的内在必然。也就是说没有偶然，只有必然，所有的偶然都是必然。



科学家们还发现，宇宙正是由强合力、弱合力、电磁力、引力，这四大基本力之间的相互作用，而稳定有序的。

如果其中的一个力，比如引力稍微强一点，那么宇宙中恒星的燃料就会很快耗尽，宇宙中将不会有任何一颗发光发热的恒星，而变得黑暗冰冷。如果稍微弱一点，恒星就无法发生核聚变反应，宇宙同样不会存在闪闪发光的恒星。
另外科学家还发现，宇宙在刚诞生时的膨胀速度，刚好可以形成运行稳定的星系，如果膨胀的速度快一点或慢一点，我们的宇宙就会乱成一锅粥。
那么类似这样的恰到好处，充满了一种强烈的设计感，而这样的设计感，在宇宙中却是数不胜数。
比如说地球能够诞生出生命，是因为和太阳的距离不远不近，又恰好有木星和月球的保护，还恰好存在着氧气、液态水、大气层、磁场、臭氧层等等，生命诞生需要的条件。只要其中任何一点出错，哪怕是一点点的差错，人类将不复存在。
如此精准的恰到好处，就算是人类最顶尖、最高级的设计师，也难以设计的如此精准，可见其精确程度，并非自然可以形成的。



所以人们称曼德伯集合是上帝的指纹，因为他用简单的迭代分型，就非常精准的描述出了、物质的简单与复杂、混沌与有序之间的关系和延展性，从微观粒子到宏观宇宙，莫不如此。

那么问题就来了，宇宙的一切，真的有可能就是被上帝精心设计出来的吗？如果用曼德博集合的分形几何来计算，不是无限放大、而是无限缩小宇宙的话，有没有一种可能，我们真的会看到一幅宇宙的原始图形呢？而我们地球人类有没有可能，是上帝自我相似的复制版呢？欢迎在留言区里写下你的想法，我们一起讨论。