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Text File  |  1992-03-18  |  14KB  |  189 lines

  1.             Chapter 1 - Geometry and the Perfect Universe
  2.  
  3. [title pic]
  4. Ever since the dawn of modern science in the ancient civilisations of ŠGreece and the Middle East, people have tried to explain the universe Šin simple terms.
  5.  
  6. [Pythagoras pic]
  7. The discovery of geometry in Ancient Greece led philosophers such as ŠPythagoras to suggest that there was some natural mathematical order Šthat described the universe. 
  8.  
  9. [perfect solids pic]
  10. Pythagoras discovered the five perfect solids, each of them described Šsimply in geometrical terms. He found natural counterparts to his Šperfect solids in the mineral world. 
  11.  
  12. [perfect solids / minerals pic]
  13. However, while these crystals replicated the simple beauty of geometry Šthese perfect crystals are rare. Pythagoras must have at some time Špicked up a pebble and wondered how its irregular, rough surface could Šfit into his geometric universe.
  14.  
  15. [Dark ages pic]
  16. The fall of the classical civilisations and the rise of religious Šbigotry during the dark ages prevented the advancement of science for Šover fifteen hundred years.
  17.  
  18. [Kepler pic]
  19. Johanes Kepler was born in 1571. From his youth he was fascinated with Šthe stars. He devoted his life to the search for a natural geometrical Šorder that described the positions of the six known planets in the Šsolar system.
  20.  
  21. [Kepler circle-triangle]
  22. Whilst teaching mathematics he discovered that by inscribing an Šequilateral triangle inside a circle representing the orbit of Saturn, Šanother circle drawn inside the triangle represented the orbit of ŠJupiter.
  23.  
  24. [Kepler thingy]
  25. Kepler worked for the rest of his life trying to fit the orbits of the Šplanets in between the five Pythagorean perfect solids. He drew Šdiagrams and built models of his vision of the universe as he saw it.
  26.  
  27. [Kepler thingy 2]
  28. Classical thought in Kepler's time talked of the planets as points of Šlight inscribed on massive crystal spheres. Two thousand years Špreviously Pythagoras had talked of the 'harmony of the spheres', Šthinking that the orbits of the planets were in some way related to Šthe geometric progression of the notes on a musical scale.
  29.  
  30.  
  31. Kepler himself said "Geometry provided God with a model for the ŠCreation, Geometry is God Himself".
  32.  
  33. [Picture needed]
  34. As time passed Kepler became increasing frustrated with the fact that Šhowever hard he tried he could not get the planets to match his model Šexactly. He thought that his limited astronomical data, collected from Ša  time before the telescope, must be incorrect.
  35.  
  36. [Tycho Brahe]
  37. Eventually he obtained the observations of the Dutch Astronomer Tycho ŠBrahe. From Kepler's point of view this made things worse. Not only Šdid the new data not fit his geometrical model of the universe, it Šalso proved that the orbits of the planets were not, as previously Šassumed circular, but were elliptical.
  38.  
  39. [elliptical orbit diagram] 
  40. Kepler was devastated. The universe could not be explained purely in Šterms of geometry. The fact that he had discovered one of the most Šimportant discoveries in astronomy in two thousand years was little Šconsolation. Geometry had failed him. 
  41.  
  42. [fade out]
  43.  
  44.  
  45.                 Chapter 2 - The early fractal pioneers
  46.  
  47. [newton]
  48. Isaac Newton, in his investigations into Gravity carried on with ŠKepler's work on the motion of the planets. Whilst studying this he Šcame across a problem. 
  49.  
  50. [two planets]
  51.  
  52. With two planets of the same mass, working the gravitational Šattraction between them was easy.
  53.  
  54. [two planets with gravitational attraction shown]
  55. At any point the gravitational field would attract an object to one of Šthe two planets, the area of gravitational attraction for each planet Šis easily defined.
  56.  
  57. [three planets]
  58. With three or more planets it suddenly becomes more complex.
  59.  
  60. [three planets with simple attraction]
  61. Using approximations Newton was able to prove that the in the areas Šimmediately around each planet a point would be attracted to that Šplanet, but in the space between the three planets there appeared to Šbe a chaotic region where the final outcome could not be predicted.
  62.  
  63. [newtbasin picture]
  64. Now, with modern computers we can calculate the appearance of these Šchaotic zones, and we find infinitely complex patterns in the Šgravitational fields.
  65.  
  66. [fade]
  67.  
  68. [picture]
  69. Helge von Koch was a Swedish mathematician. In 1904 he described a Šmathematical structure that he called his 'coastline'.
  70.  
  71. [kock coastline]
  72. Koch realised when he discovered this structure that it had some Šunusual properties. Firstly, the line is infinitely long. Despite this Šthe line fits into a finite space. A triangle can be drawn around the Šshape, a finite geometrical shape with an infinite complex line inside Šit.
  73.  
  74. Secondly, at no time does one portion of the coastline meet another. 
  75.  
  76. [magnify anim]
  77. Thirdly, by magnifying a small portion of the shape we can see that it Šis identical to the whole shape. It is self similar.
  78.  
  79. [other shapes - Sierpinski, et al]
  80. Helge von Koch, and other mathematicians of the 19th and early 20th Šcenturies, described several similar shapes, fantastic mathematical Šcurios with which to amuse their fellow mathematicians, but the true Šimportance of their discoveries were not to be known in their life Štimes.
  81.  
  82. [fade out]
  83.  
  84.  
  85.                Chapter 3 - Julia and the Complex Plane
  86.  
  87. [picture needed]
  88. In 1914 two French mathematicians, Gaston Julia and Pierre Fatou were Šinvestigating the properties of iterative formulae. An iterative Šformula is simply a formula where the result is put back through the Šformula several times until a final result is obtained or until Šinfinity is reached.
  89.  
  90. [z^2+c]
  91. The particular formula that Julia was interested in was very simple. ŠTake a number, square it, and add a constant value. Now take this Švalue, square it and add the constant to it again, and so on.
  92.  
  93. [calculations]
  94. The results are fairly straight forward. With the constant set to zero Šit can be shown that all initial values for z above one rapidly rise Štowards infinity, values below one sink towards zero, but with z set Što an initial value of one the result remains one.
  95.  
  96. [complex plane]
  97. Next Julia tried the formula with complex numbers.
  98.  
  99. Normal numbers can be described as points on a line stretching from Šminus infinity to zero to infinity. Complex numbers can best be Šdescribed as points on a plane, like co-ordinates on graph paper, they Šhave an x value, called the 'real' component, and a y value, called Šthe 'imaginary' component. 
  100.  
  101. Complex numbers can be added, subtracted, multiplied and divided just Šas any traditional number. Complex numbers allow results for Špreviously unsolvable equations, like the square root of minus one.
  102.  
  103.  
  104. [0,0]
  105. Julia tried out the formula with a constant of (0,0). using various Švalues for the initial Z value, he was not surprised to find that Šinitial values that did not drift off to infinity could all be plotted Šon the plane inside a circle centred at the origin with a radius of 1.
  106.  
  107.  
  108.  
  109. [0,-.5]
  110. Next Julia tried some other values for the constant, and was surprised Što find that the shapes he was getting were irregular. Everything had Što be meticulously calculated by hand, and although he saw fragments Šof whorls and spirals it is only with the advent of modern computers Šthat the true beauty of these images can be displayed.
  111.  
  112. But 1914 was not the best time to be studying mathematics in Paris. ŠJulia found little interest in his discoveries whilst Europe was in Šthe midst of the most destructive war in its history. 
  113.  
  114. [fade]                                 
  115.  
  116.  
  117.        Chapter 4 - Mandelbrot and the birth of Fractal science
  118.  
  119. [Benoit piccy]
  120. Benoit Mandelbrot was born in Poland in 1924. His family was Jewish, Šhis father worked in the Clothing trade and his mother was a dentist.
  121.  
  122. [Refugees in WW2 pic]
  123. In 1936, sensing the coming of the Nazi threat the Mandebrots moved to ŠParis where the young Benoit came under the influence of his Šmathematician uncle. When Hitler advanced into France the family broke Šup, and Benoit spent most of the war years living in Tulle, a town in Šcentral France. He had little formal schooling but was guided by Šteachers often themselves anxious to avoid the attention of the Nazis. ŠHe was never in one place for long.
  124.  
  125. [Ecole Polytechnique pic if possible]
  126. After the war, Benoit returned to Paris and passed the entrance Šexamination for the prestigious Ecole Polytechnique. One of his Šteachers was an elderly French mathematician, Gaston Julia.
  127.  
  128. [picture of early IBM computer system]
  129. In 1954 Mandelbrot emigrated to the USA where he began work at IBM's Šresearch department. Thereafter, he followed various careers mostly as Ša lecturer teaching engineering, economics, physiology an d Šmathematics. In none of these was he regarded very highly by his Šcolleagues, they did not like his informal and unorthodox methods.
  130.  
  131. [Koch coastline]
  132. In the early 1970's Mandelbrot started thinking about Koch's work, in Šparticular his 'coastline'. He thought about the coastline of Great ŠBritain.
  133.  
  134. [Britain from satellite picture]
  135. Mandelbrot wondered, "How long is the coast of Great Britain?". He Šsoon realised that the length of the coast depends on the length of Šyour ruler.
  136.  
  137. [it depends]
  138. The island viewed from space can be measured approximately. A survey Šteam measuring at 100 meter intervals around the coast will give a Šdifferent, higer value. Crawling around the coast with a 6" rule will Šgive a higer value still. A snail traversing every small pebble would, Šif it could live long enough and give an answer, arrive at a very much Šlarger result.
  139.  
  140.  
  141. [infinitely long]
  142. Rather than settling down to an approximate value for the length of Šthe coastline, Mandelbrot found that the smaller the lines used to Šmeasure the coastline, the larger the value he got. The coastline of ŠBritain was infinitely long.
  143.  
  144. [Sierpinski triangle]
  145. Mandelbrot looked again at the Sierpinski triangle. Here was a finite Štriangle, one of the most stable forms in mathematics. A triangle is Šremoved from the centre to leave three triangles. From each of these
  146. the centre portion is removed, and so on, ad infinitum.
  147.  
  148. [Sierpinski...]
  149.  
  150. Mandelbrot tacked the subject from a different point of view. He began Što think in terms of dimensions. 
  151.  
  152. [dimensions]
  153.  
  154. In mathematical terms a dot has no dimensions, a straight line one, a Šsquare has two, and a cube has three. But what about the Sierpinski Štriangle?
  155.  
  156. [sierpinski]
  157.  
  158. How many dimensions does this structure have. Not 0, not 1, not Šcompletely two either because it contains zero area. It appeared to be Šsomewhere inbetween one and two. Mandelbrot could immediately see that Šhe was on the right lines. The idea was a brilliant solution, and he Šwent on to define ways of working out the dimensions of all such Šfigures. They all had fractional dimensions.
  159.  
  160. [Fractus]
  161. One day in 1975 while helping his sone with his latin homework, he was Šstruct by the latin root Fractus, leading to such english words as Šfracture and fraction. He invented the word 'Fractal' to cover his new Šgeometry and another branch of mathematics was born.
  162.  
  163.  
  164. [fade out]
  165.  
  166.                     Chapter 5 - The Mandelbrot Set
  167.  
  168. [b&w julia sets]
  169.  
  170. In the late seventies Mandelbrot remembered his old professor, Gaston ŠJulia, and his formula. He began plotting Julia sets using a computer Šat Harvard and outputting to an old printer. They becaue fascinated Šwith the results, which were far less detailed that those seen here. ŠOne day in 1979 he slightly altered the way they were generated and Šsaw the first unclear outlines of the set that bears his name today. ŠThey rushed to the mainframe computer at IBM to confirm their Šdiscovery and saw the Mandelbrot set being generated for the first Štime.
  171.  
  172. [picture mandelbrot set]
  173. Even the mainframe computer at that time was not able to produce it to Šthe same level of detail you see here.
  174.  
  175. There are an infinite number of different Julia patterns, but only one ŠMandelbrot set. Mandelbrot discovered his set was a guide to all the ŠJulia patterns. 
  176.  
  177. [ Guide to Julia shapes]
  178.  
  179. Every point on this picture of the Mandelbrot set can be used as the Šconstant value for the Julia formula. All the points within the black Šarea of the Mandelbrot produce solid Julias, points outside of it Šproduce fragmentated Julias.
  180.  
  181. [junction Julia]
  182.  
  183. Those 
  184.  
  185.  
  186.  
  187.  
  188.                                                                                                                                                                                     
  189.