Fractal : (łac. złamany,cząstkowy) pojęcie to wprowadził w roku 1975 Benoit Mandelbrot, matematyk i informatyk polskiego pochodzenia. Jednakże pierwsze funkcje, których graficzny zapis jest fraktalem pojawiły się już u schyłku XVII w. Fraktal jest to zbiór matematyczny, który ze względu na różnorodność form definiuje się poprzez określenie pewnych jego własności. Charakteryzuje się on samopodobieństwem ( jego fragmenty są podobne do całości). Naturalnym przykładem zjawiska samopodobieństwa jest warzywo o nazwie 'romanesco'. Roślina ta dzieli się na mniejsze elementy, które z kolei wyglądają jak pomniejszona całość. Oczywiście ten podział jest ograniczony, ponieważ na pewnym etapie elementy rośliny stają się zbyt małe, aby je dalej dzielić. W matematycznym wymiarze samopodobieństwa taki podział jest możliwy nieskończoną ilość razy. Struktury o budowie fraktalnej powszechnie występują w przyrodzie, są to np: płatki śniegu,system naczyń krwionośnych, struktura fiordów czy innych formacji skalnych, chmury, liście paproci itp.
Zbiory fraktalne mogą być afiniczne, tzn. że po odpowiednich przekształceniach część zbioru może być obrazem całości. Kolejną cechą fraktali jest sprzężenie zwrotne, czyli wielokrotne przetworzenie obrazu początkowego. Przykładem sprzężenia zwrotnego jest obraz powstający w dwóch lustrach ustawionych naprzeciwko siebie.
Tak więc można powiedzieć,że fraktal to obiekt samopodobny o wymiarze ułamkowym. Spośród bardziej znanych fraktali warto wymienić: zbiór Cantora, zbiory Julii, zbiór Mandelbrota, krzywą Kocha oraz fraktale Sierpińskiego. Każdy fraktal poddawać można dowolnej iteracji, czyli dowolnemu powtórzeniu tej samej instrukcji. Można to zobrazować na przykładzie iteracji krzywej Kocha, gdzie po dodaniu trzech odpowiednio obróconych egzemplarzy otrzymujemy figurę zwaną płatkiem śniegu:



Ponieważ graficzny obraz fraktala ma wymiar nie tylko matematyczny, ale i estetyczny w niedługim czasie powstała dziedzina sztuki nazywana 'fractal art'. Istnieje szereg programów graficznych, dzięki którym po wprowadzeniu odpowiednich parametrów możemy otrzymywać tego typu rozmaite struktury.
Wśród osób poddawanych eksperymentom z użyciem silnych środków psychodelicznych znaczna część deklarowała, że postrzegana rzeczywistość jawiła się jako dynamiczny, geometryczny i nieskończony wzór.

Naukowcy zwykli badać naturę wszechświata, natomiast domeną filozofów było pytanie dlaczego powstał. Ci ostatni za obszar swych zainteresowań uznawali całość ludzkiej wiedzy. Jednak gwałtowny rozwój nauki, która z początkiem XIX w. stała się dla większości ludzi zbyt techniczna i matematyczna sprawił, że ograniczyli oni zakres swoich badań. Przeciętny obywatel tym bardziej gubi się w gąszczu skomplikowanych wzorów i teorii. Spróbuję zatem usystematyzować wiedzę z dziedziny fizyki i podać ją w przystępny sposób. Zaznaczam przy tym, że bliżej mi do malarza ściennego niż fizyka.

W XIX w Markiz de Laplace stwierdził, że wszechświat jest całkowicie zdeterminowany, tj. można przewidzieć wszystkie przyszłe zdarzenia znając jego aktualny stan. W swych założeniach posunął się na tyle daleko, iż ten sam model chciał przełożyć na zachowania ludzkie. Determinizm został jednak pogrzebany w 1926 roku, kiedy to Werner Heisenberg sformułował ‘zasadę nieoznaczoności’. Aby przewidzieć przyszłe położenie cząstki należy zmierzyć jej obecną prędkość i pozycję. Im dokładniej mierzymy pozycję cząstki, tym mniej dokładnie mierzymy jej prędkość. Ta zasada jest fundamentalną, nieuniknioną własnością uniwersum (nawet po dziś dzień nie w pełni zrozumianą przez wielu filozofów). Prowadzi to do konkluzji, iż nie można dokładnie przewidzieć przyszłych zdarzeń skoro nie można określić z dostateczną precyzją obecnego stanu wszechświata.

Co zatem wiemy o jego aktualnym stanie? Wszechświat to - najprościej rzecz ujmując - materia oraz siły. Najmniejszym składnikiem materii o właściwościach chemicznych jest atom. Atom składa się z jądra w skład którego wchodzą neutrony (obojętne elektrycznie) i protony (ładunek dodatni ) oraz otaczających je elektronów (ładunek ujemny). Dzięki dualizmowi falowo-korpuskularnemu ruch elektronu można interpretować jako falę. Atom który posiada ładunek dodatni lub ujemny to jon (może to być również grupa atomów). Jądro stanowi 1/100000 rozmiaru atomu, ale skupia 99.9% jego masy. Około 99.99999….% objętości atomu stanowi "pusta przestrzeń". Aby to lepiej zobrazować załóżmy, że jądro atomu ma rozmiar piłki tenisowej, wtedy krążące wokół elektrony będą wielkości główek od szpilek, natomiast całość miałaby średnicę 700m. Pomimo, iż wyraz ‘atom’ pochodzi z greki i oznacza niepodzielny, nie jest on cząstka elementarną. Protony i neutrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek: kwarków. Tak więc drogi czytelniku, jesteś chodząca baterią, która w 99.9% składa się z "niczego"*.

Materia tworzy przestrzeń w której przebiegają wszystkie zjawiska fizyczne. Zdarzeniom nie można przypisać absolutnego położenia w przestrzeni, ponieważ nie istnieje stan absolutnego spoczynku. Ruch rozpatrujemy zawsze względem układu odniesienia, dla jednego ciała może być spoczynkiem, dla drugiego zaś ruchem. Jako, że nie istnieje absolutne położenie zdarzeń, nie można też mówić o absolutnej przestrzeni. Nie istnieje też czas absolutny ( bez wprowadzenia pewnych stałych), tzn. jest on nierozerwalnie związany z przestrzenią i tworzy czasoprzestrzeń. Teoria czasu absolutnego (Newton, Arystoteles) została ostatecznie wyeliminowana przez odkrycie prędkości światła, a w następstwie powstanie teorii względności.
Informacja płynie wraz ze światłem, które jest falą elektromagnetyczną, poruszającą się ze stałą prędkością ok. 300 000 km/s. Gdyby w tym momencie słonce przestało świecić informacja o tym dotarła by do obserwatora na Ziemi dopiero po ośmiu minutach. Warto pamiętać, że obserwując słońce w danej chwili naprawdę rejestrujemy jego stan sprzed ośmiu minut. Patrząc na nocne niebo obserwujemy wszechświat w przeszłości. Widzimy światło wyemitowane z odległych galaktyk miliony lat temu, najdalsze obiekty możliwe do obserwacji wyemitowały światło 8 miliardów lat temu.

Interesująca konsekwencją ogólnej teorii względności jest to, że czas płynie wolniej w pobliżu ciał o dużej masie takich jak Ziemia. Ma to związek z zależnością pomiędzy energią światła, a jego częstością (liczba fal światła na sekundę). Spadek energii oznacza mniejsza częstość. Światło wędrujące w gore w polu grawitacyjnym o malejącej energii, ma coraz dłuższy przedział czasu pomiędzy grzbietami fal. Efekt ten został sprawdzony w roku 1962 za pomocą pary bardzo dokładnych zegarów zamontowanych na wieży ciśnień.
Przed powstaniem ogólnej teorii względności przestrzeń i czas uważane były za wartości niezmienne. W świetle teorii są one jednak wielkościami dynamicznymi, poruszające się ciała i oddziałujące siły wpływają na krzywiznę czasoprzestrzeni i na odwrót. To zrewolucjonizowane spojrzenie na czas i przestrzeń umożliwiło zrewidowanie idei niezmiennego, wiecznego wszechświata i wprowadzanie nowej koncepcji dynamicznego wszechświata, który teoretycznie powstał w określonej chwili w przeszłości i może również zakończyć swoje istnienie w określonym czasie w przyszłości. (Ogólna teoria względności jest teorią klasyczną i nie uwzględnia zasady nieoznaczoności bez wprowadzenia odpowiednich stałych).

O Wielkim Wybuchu słyszał prawie każdy (oprócz najbardziej zatwardziałych kreacjonistów), ale nie każdy wie jak naukowcy doszli do tak zaskakujących wniosków na podstawie obserwacji prowadzonych na Ziemi. W 1924 roku amerykański astronom Edwin Hubble wykazał, że istnieją we wszechświecie inne galaktyki niż nasza. Kolejne lata spędził mierząc ich odległości oraz badając widma światła przez nie emitowanego. Na tej podstawie odkryto ruch galaktyk. Początkowo zakładano, że ruch ten jest chaotyczny, jednak szczegółowe pomiary wykazały, że wszystkie galaktyki oddalają się od nas. Kolejne odkrycie było jeszcze bardziej zdumiewające - galaktyki oddalają się od nas tym szybciej, im większa jest odległość od nich. Fakt, że wszechświat rozszerza się był jedną z największych rewolucji XX wieku. W roku 1965 dwóch amerykańskich fizyków, pracowników laboratorium telefonicznego, testowało bardzo czuły detektor mikrofalowy. Arno Penzias i Robert Wilson mieli problem z detektorem rejestrującym więcej szumu niż zakładano. Nie można było zlokalizować źródła jego pochodzenia. Był on jednakowo silny niezależnie od kierunku odbioru, pory dnia, czy pory roku. Tymczasem na uniwersytecie w Princeton dwaj fizycy również zainteresowali się mikrofalami. Bob Dicke i Jim Peebles badali hipotezę wysuniętą przez Georga Gamowa dotycząca początkowego stanu wszechświata, która zakładała, że był on gesty, gorący i wypełniony promieniowaniem o bardzo wysokiej temperaturze. Wiedząc, że światło z odległych części wszechświata dociera na Ziemię dopiero teraz, szukali śladów tego promieniowania. Kiedy Penzias i Wilson dowiedzieli się o ich poszukiwaniach uświadomili sobie, że to właśnie oni znaleźli to promieniowanie, nazywane ‘mikrofalowym promieniowaniem tła’. Tak więc faktem stała się ekspansja wszechświata. Nasunęło się jednak pytanie - czy wszechświat będzie się stale rozrastał czy też grawitacja spowoduje, że pewnym momencie zacznie się kurczyć? Niestety wiedza na temat średniej gęstości materii we wszechświecie jest na razie na tyle skromna, że nie można odpowiedzieć na to pytanie. Gdyby jednak wszechświat miał się zapaść stało by się to za około 10 miliardów lat.
W chwili zwanej wielkim wybuchem odległość miedzy galaktykami była zerowa, a gęstość materii i krzywizna czasoprzestrzeni nieskończona. Ten stan nazywany jest osobliwością. W tak patologicznych warunkach załamują się wszystkie fizyczne teorie, nie można określić czy istniały jakieś zdarzenia przed nim. (W 1965 roku Roger Penrose wykazał, że każde ciało zapadające się grawitacyjnie musi utworzyć osobliwość, czyli czarną dziurę ). Po wybuchu nastąpiła ekspansja wykładnicza lub gwałtowna inflacja, w miarę rozszerzania się wszechświata promieniowanie i materia stygły. Całkowita energia wszechświata w stanie w jakim się teraz znajduje jest równa zeru (energia materii jest dodatnia, a grawitacji ujemna). W trakcie inflacyjnej ekspansji w którymś momencie została przełamana symetria miedzy silami. Uwolniona dodatkowa energia podgrzała wszechświat do temperatury niewiele wyższej niż krytyczna, w której następuje przywrócenie symetrii, dlatego aktualnie tempo jego ekspansji jest zbliżone do tempa krytycznego, a w różnych jego obszarach temperatura jest równa (mikrofalowe promieniowanie tła ma stałą temp. 2,7K ). Modele inflacyjne wykazują, że wszechświat mógł powstać z rożnych stanów początkowych. Gdybyśmy znali stan początkowy naszego wszechświata poznalibyśmy całą jego historię. Kierunek czasu w którym wszechświat rozszerza się jest zgodny z drugą zasadą termodynamiki tworząc tzw. termodynamiczną strzałkę czasu. Druga zasada mówi o tym, że entropia (nieuporządkowanie) każdego układu wzrasta wraz z upływem czasu.




Im bardziej się cofamy w historii wszechświata, tym bardziej jego gęstość rośnie. Kiedy gęstość osiąga wartość 1093 g/cm3 (próg Plancka),ogólna teoria względności załamuje się. Gdyby istniała cząstka o energii większej niż tzw. energia Plancka (10 milardow miliardow GeV ), to jej masa byłaby tak skoncentrowana, iż cząstka oddzieliła by się od wszechświata i utworzyła małą czarną dziurę. W akceleratorze w CERN-ie fizycy zderzając ze sobą wiązki protonów osiągają energię rzędu 120 GeV . Sięgają tym samym do warstwy struktury świata 10-12 sekundy po progu Plancka. Przed progiem Plancka panuje tzw. reżim nieprzemienny - nie istnieje czas ani przestrzeń.

W roku 1984 naukowcy zaczęli skłaniać się ku teorii strun, zakładającej, że podstawowymi obiektami przestrzeni nie są cząstki zajmujące punkt, ale obiekty posiadające tylko długość. Struny te mogły by mieć swobodne końce lub tworzyć pętle. W teorii strun to co kiedyś uważano za cząstki przyjmuje się za fale przemieszczającą się wzdłuż struny. Również tutaj pojawiają się nieskończoności, ale teoretycznie kasują się ona wzajemnie. Pojawia się jednak inny, poważniejszy problem - teoria strun ma rację bytu tylko, jeżeli czasoprzestrzeń ma 10 lub 26 wymiarów, a nie 4 jak zwykle ( 3 współrzędne przestrzeni + czas). Jednak dla nas te wymiary są niewidoczne, ponieważ przestrzeń jest w nich zakrzywiona do tego stopnia, że mają rozmiar ok. milionowej miliardowej miliardowej miliardowej części centymetra. Oprócz dodatkowych wymiarów teoria strun musi się uporać jeszcze z szeregiem innych problemów, zanim stanie się jednolitą teorią fizyki.

W roku 1982 grupa badawcza pod przewodnictwem Alaina Aspecta dokonała niezwykłego odkrycia. Naukowcy zaobserwowali, że w szczególnych warunkach cząstki subatomowe (takie jak elektron), są w stanie natychmiast się ze sobą skomunikować, niezależnie od dzielącej je odległości. Jest to o tyle niezwykłe, że musiało by dojść do przepływu informacji szybszego od prędkości światła, a to z kolei wyklucza teoria Einsteina. Większość naukowców skłania się więc ku drugiej możliwości: cząsteczki subatomowe są połączone nie – lokalnie. Przyczyną pozostawania w kontakcie cząsteczek subatomowych, niezależnie od dzielącej ich odległości jest fakt, iż ich separacja jest iluzją. Odrębność cząstek subatomowych jest jedynie pozorna, na głębszym poziomie wszystkie rzeczy są nieskończenie połączone. David Bohm, znany fizyk z Uniwersytetu w Londynie, twierdził, że odkrycia Aspecta implikują, iż obiektywna rzeczywistość nie istnieje. Wszechświat jest w rzeczywistości hologramem - kosmicznym magazynem tego wszystkiego co jest, będzie czy kiedykolwiek istniało.
Jeśli zatem wszystko, włącznie z naszym mózgiem przekształcającym częstotliwości w osobistą percepcję jest hologramem, to co pozostaje z obiektywnej rzeczywistości? Takowa nie istnieje. Świat materialny jest iluzją, zupełnie jak w filozofiach orientalnych. Jesteśmy „odbiornikami”, które funkcjonują w morzu częstotliwości.
W 2008 roku fizyk Craig Hogan skontaktował się z ekipą detektora fal grawitacyjnych GEO 600 w celu potwierdzenia swojej teorii. Zakładał on, że powinien istnieć tzw. ‘szum holograficzny’ pochodzący z granicy czasoprzestrzeni, w miejscu w którym czas i przestrzeń przestają być kontiunuum. Okazało się, że faktycznie wykryto niezidentyfikowany szum o częstotliwości 300-1500 Hz. Jego pochodzenia uczeni nie potrafią wyjaśnić. Właściwości tego szumu były dokładnie takie, jak przewidywał Hogan w swojej teorii, ale na razie wciąż prowadzone są szczegółowe analizy. Publikacja na temat tego odkrycia pojawiła się w magazynie ‘New Scientist’ w styczniu 2009 roku.

Współczesna fizyka zmaga się z problemem połączenia ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację w skalach kosmicznych (gwiazdy, planety, galaktyki) z mechaniką kwantową opisującą pozostałe trzy podstawowe siły działające w skali atomowej, czyli silne i słabe oddziaływania jądrowe oraz oddziaływanie elektromagnetyczne. Dysponujemy teoriami cząstkowymi, których nie sposób na razie połączyć w zunifikowaną ‘teorię wszystkiego’, opisująca w sposób spójny wszystkie zjawiska fizyczne i pozwalająca przewidzieć wynik dowolnego doświadczenia fizycznego. Nawet jeśli to nastąpi wciąż frapujące będzie pytanie Gottfrieda Leibniza „Dlaczego istnieje raczej coś niż nic”? Ciekawie do tego problemu podszedł angielski pisarz Douglas Adams:

„Istnieje teoria, że jeśli kiedyś ktoś się dowie, dlaczego powstał i czemu służy wszechświat,
to cały kosmos zniknie i zostanie zastąpiony czymś znacznie dziwaczniejszym i jeszcze bardziej pozbawionym sensu.
...
Istnieje także teoria, że dawno już tak się stało.”

…i tym m miłym akcentem kończę ten wywód.

*- tak wiem, że to nie jest termin właściwy dla fizyki, próżnia doskonała nie istnieje, mamy
nośniki oddziaływań bla bla bla