S-a întâmplat din nou recent. Meteorologul local a prezis că un viscol mare va cuprinde centrul țării. Precipitațiile vor începe în dimineața următoare și ar trebui să ne așteptăm la un strat de zăpadă de 20 de centimetri până seara. Serviciul meteorologic a emis un avertisment de viscol. Ziua următoare a început destul de mohorâtă, iar echipa locală de meteorologi a reluat prognoza din seara precedentă – furtuna încă se îndrepta spre nord-vest. Însă amiaza a sosit fără nici cea mai mică urmă de precipitații. Astfel a sosit și după-amiaza. Ziua următoare urma să fie o zi de groază din cauza zăpezii, cu drumuri închise și pene de curent. Chiar și meteorologul era de aceeași părere: Furtuna încă urmează sa apară, deși acum așteptăm să se depună aproximativ 7-10 centimetri. Cu toate acestea, nici măcar un fulg nu a căzut.

Așa cum puteți ghici, viscolul nu a mai venit. A doua zi cerul era senin, iar rutina zilnică nu a fost afectată de zăpadă. Cu ani în urmă, am fi luat peste picior incapabilitatea meteorologului de a face o prognoză precisă. Cum poate cineva, cu atât de multă tehnologie la dispoziție, cu atâtea date și super computere, să greșească atât de des? Cum poate știința modernă să continue să ne dezamăgească atât de mult?

Acum știm. Meteorologul a fost victima haosului. Nu acel gen de haos de care ne amintim de la orele de limba română – tulburare totală și confuzie. Acesta este un sistem extrem de complex, precum atmosfera, economia și populația. Într-adevăr, poate că toate sistemele, chiar și acelea care par să se conformeze anumitor legi la fel de solide precum roca, prezintă caracteristici haotice. Dacă acest lucru este adevărat, atunci tot ceea ce știm despre tot nu este neapărat greșit, însă este diferit. Universul ordonat și obositor pe care îl luăm de bun poate fi excepția de la regulă, în loc să fie invers. Cel puțin viziunile noastre asupra ordinii ar putea fi produse ale haosului, scurte sclipiri ale structurii și formei de pe fundalul complexității îngreunate. Pentru a înțelege haosul, trebuie să-i cunoaștem contrapunctul. Iar acest lucru ne duce înapoi în secolul 17 la unul dintre cele mai mari nume din istoria științei.

PHOTO COURTESY OF NASA. MUST CREDIT NASA. Photos from Hubble – Swarm of ancient stars.

Nașterea determinismului

Anii 1600 se bucurau de o iluminare lentă și constantă deoarece un grup de vizionari aduceau rațiune, formă și structură celor mai mari mistere ale lumii. Primul a venit Johannes Kepler, astronomul german care, în anii 1609 și 1618, a descris modul în care planetele se mișcă pe orbitele eliptice cu soarele ca un focar al elipsei. Următorul a fost Galileo Galilei, care a contribuit în mod fundamental la studiile științifice de mișcare, astronomie și optică la începutul anilor 1600. Aceste concepte și idei empirice s-au alăturat gândirii inventive a filozofilor, cum ar fi René Descartes. În anul 1641, Descartes a publicat Third Meditation, în care discută despre principiile cauzalității – „nimic nu provine din nimic” sau „fiecare efect are o cauză”.

Toate aceste idei au așezat scena pentru Isaac Newton, ale cărui legi de mișcare și gravitație au format știința timp de multe secole. Legile lui Newton au fost atât de puternice încât, dacă erai dispus, le puteai folosi pentru a face predicții legate de un obiect îndepărtat din viitor, atâta timp cât știai informația despre condițiile sale inițiale. De exemplu, puteai calcula precis unde vor fi planetele pentru câteva sute de ani de la data curentă, făcând posibilă prezervarea tranziturilor, eclipsei și a altor fenomene astronomice. Ecuațiile sale au fost atât de puternice, încât oamenii de știință au ajuns să se aștepte ca nimic să nu le depășească. Tot ce se află în acest Univers ar putea fi determinat – calculat – pur și simplu prin introducerea valorilor deja cunoscute în mașinăriile matematice bine-unse.

La începutul secolului al 18-lea și începutul secolului 19, un fizician francez, Pierre-Simon Laplace, a dus conceptul determinismului până la epuizare. Pierre Laplace a rezumat filozofia sa cam așa:

Ar trebui să privim starea actuală a Universului ca un efect al stării sale anterioare și ca o cauză a celei ca va urma. Având în vedere, pentru o clipă, o inteligență care ar putea înțelege toate forțele prin care natura este animată și situația respectivă a ființelor care o compun – o inteligență suficient de vastă să transmită toate aceste date spre analizare – ar include în aceeași formulă mișcările dintre cele mai mari corpuri ale Universului și cel mai ușor atom; pentru acest lucru, nimic nu ar fi incert, iar viitorul, ca trecutul, va fi prezent în ochii lui.

PHOTO COURTESY OF NASA. MUST CREDIT NASA. Photos from Hubble – The Glowing Eye of NGC 6751.

Cu toate acestea nimic nu este sigur: Instabilitatea Dinamică

Până la finalul secolului 19, oamenii de știință deveniseră mulțumiți de munca lor. Legile lui Newton s-au dovedit a fi extraordinar de robuste și toată lumea a presupus că ar putea rezolva orice problemă de fizică care le apare în față. Pe lângă această bază robustă a matematicii, astronomii adăugau mai multe informații despre Pământ și poziția sa în Sistemul Solar și în afara acestuia. O diagramă astronomică din 1900 ar fi afișat cele opt planete principale, fiecare pe o orbită eliptică în jurul Soarelui, precum și numeroși sateliți, cei mai mari asteroizi și o mulțime de comete. Aceeași diagramă ar fi arătat magnitudinile aparente, vitezele orbitale, diametrele și distanțele față de Soare. Cu alte cuvinte, aceasta ar conține toate informațiile necesare pentru exploatarea ecuațiilor lui Newton și pentru a determina viitoarea condiție a planetelor.

Atractorul Lorenz: Un Portret al Haosului

Modelul de computer al lui Lorenz a distilat comportamentul complex al atmosferei Pământului în 12 ecuații – o simplificare mai mare dacă ar fi fost una. Însă cercetătorii MIT aveau nevoie de ceva mult mai simplificat dacă speră să se uite mai bine la efectele tantalizante pe care le-a văzut în vremea pe care acesta a simulat-o. Lorenz a restrâns problema la o singură condiție atmosferică sub numele de convecție de fluid de rulare.

Convecția are loc pe scară largă atunci când Soarele încălzește aerul aproape de suprafața Pământului mai repede decât aerul de mai sus din atmosferă sau decât aerul de deasupra apei. Ca rezultat al acestei încălziri inegale, aerul mai cald, mai ușor se ridică, în timp ce aerul mai rece și mai greu coboară. Acest lucru, la rândul său, creează „role” mari circulare de aer.

Haosul astăzi

Pentru o vreme, în anii 1980 și începutul anilor 1990, haosul a fost prezentat drept următoarea mare revoluție în știință, la fel ca mecanica cuantică. Storyteller-ii i-au adoptat principiile și le-au transformat în romane, filme și piese de teatru. Aproape toți ne amintim de modul în care „Jurassic Park” a tratat haosul, cu auto-proclamatul cercetător al haosului, Ian Malcolm, lăsând picăturile de apă să se miște de-a lungul mâinii lui Ellie Satter pentru a dovedi că lichidul nu urmează niciodată aceeași cale. În romanul lui Michael Crichton, care a apărut în 1990, haosul are o importanță chiar mai mare și mai temeinică. Crichton structurează cartea în iterații, la fel ca iterațiile folosite să genereze bifurcații în diagrame și fractali. Și Malcolm oferă o perspectivă mult mai profundă decât cea a personajului său de pe ecran în știința haosului:

Veți proiecta o mulțime de animale preistorice și le veți așeza pe o insulă? Ok. Un vis minunat. Încântător. Însă nu va funcționa așa cum ați plănuit. Este inerent imprevizibil. Ne-am relaxat imaginându-ne schimbări bruște ca fiind ceva care se întâmplă în afara ordinii normale a lucrurilor. Un accident, ca cel de mașină. Sau dincolo de controlul nostru, ca o boală fatală. Nu concepem o schimbare bruscă, radicală, irațională ca fiind construită într-o fabrică a existenței. Și totuși este.

În același ani, Spielberg a dat lovitura cu un parc tematic cu dinozauri. Tom Stoppard a publicat piesa „Arcadia”, care utilizează teoria haosului ca mijloc de explorare a temelor mai largi, cum ar fi misterul secului și conflictul emoțiilor cu intelectul. La un moment dat, personajul Valentine Coverly oferă o explicație a haosului pe care orice matematician ar fi apreciat-o: „Dacă ați fi știut algoritmul și l-ați fi aprobat repetând-ul de zece mii de ori, de fiecare dată ar fi un punct undeva pe ecran. Nu ați fi știut unde va apărea data viitoare punctul. Însă, gradual, ați începe să vedeți această formă …”.

Medicina ar putea fi următoarea frontieră care ar beneficia de perspectivele haosului. De exemplu, fiziologii au descoperit ca ritmul cardiac este extrem de sensibil la condițiile inițiale și că atunci când ritmul cardiac devine regulat, țesutul muscular este mai puțin capabil să se adapteze cerințelor, persoana respectivă fiind predispusă la artimie și infarct miocardic. Cercetătorii susțin, de asemenea, comportamentul haosului în funcționarea creierului și încearcă să găsească o legătură între puterea cognitivă a pacientului și electrocefalograma acestuia (EEC), înregistrarea activității creierului produsă de electrocefalograf. Este posibil ca abilitatea ta de percepere și de analizare să fie legată de dimensiunea fractală a EEC-ului tău?

Poate într-o zi, datorită haosului, vom știi răspunsul. Însă să nu va faceți speranțe că ne vom apropia de o prognoză precisă a vremii pe următoarele 10 zile. Pe cât de greu ne este să recunoaștem, unele lucruri chiar sunt dincolo de înțelegerea noastră.

 

Foto: Discovery Channel

Sursă: www.howstuffworks.com