Co je teorie chaosu?

Teorie chaosu odkazuje na chování určitých systémů pohybu, jako jsou mořské proudy nebo populační růst, zejména na citlivé změny malých počátečních podmínek, které vedou k drasticky odlišným výsledkům. Na rozdíl od toho, co to implicitně znamená, teorie chaosu neznamená, že svět je metaforicky chaotický, ani se netýká entropie, kterou systémy přirozeně inklinují k nepořádkům. Teorie chaosu se opírá o nejistotu spojenou s měřením, přesnost předpovědí a nelineární chování zdánlivě lineárních systémů.

Před kvantovou mechanikou byla teorie chaosu první „divnou“ myšlenkou fyziky. V roce 1900 Henri Poincaré přemýšlel o vztahu mezi hodnotami v různých časových bodech systému, jehož obecné chování lze přesně předvídat, jako je planeta na oběžné dráze. Uvědomil si, že měření, jako je poloha, rychlost nebo čas, nelze nikdy přesně určit, protože každý nástroj, který by mohl být vyvinut, by měl limit své citlivosti. To znamená, že žádné měření není nekonečně přesné.

Poincaré věděl, že pohyb je deterministicky popsán řadou rovnic, které dokážou přesně předpovědět věci, jako je to, kde koule skončí, pokud je stažena z rampy. Teorizoval však, že nepatrný rozdíl v počátečních podmínkách, založený na téměř nevýznamných variacích v měření, jako je hmotnost, by mohl mít v budoucnosti za následek dva zcela odlišné makroskopické výsledky. Tato teorie se nazývala dynamická nestabilita a později vědci potvrdili pravdivost svých myšlenek.

Teorie chaosu proto zkoumá, jak organizované a stabilní systémy nemohou vždy přinést smysluplné předpovědi na mnohem pozdější dobu, i když krátkodobé chování přesněji odpovídá očekáváním. Ve skutečnosti by jakékoli předpovědi, které přináší, mohly být natolik divergentní, že nejsou o nic lepší než odhady. Je kontraintuitivní, že přesnější hodnota nepřinese přesnější výstup.

Sněhové kouzlo nepatrné změny vlivných okolností se označuje jako motýlí efekt. Tato metafora naznačuje, že motýl mávající křídly, téměř nepostřehnutelný vliv, by mohl přispět k rozvoji hurikánu na druhé straně zeměkoule. Edward Lorenz provedl první počítačové simulace v 60. letech, které prokázaly dynamickou nestabilitu se skutečnými rovnicemi a daty.

Počáteční podmínky nelze odvodit z pozdějších podmínek, ani naopak, v několika důležitých systémech, jako je atmosférický tlak a mořské proudy, které přispívají k počasí a klimatu. Nejedná se pouze o scénář skutečného života, který je výsledkem něčeho podobného jako příliš málo teploměrů v oceánu. Teorie chaosu je ověřitelná, matematicky konzistentní teorie, která ukazuje, že někdy stále přesnější měření zapojená do rovnic nepřináší stále přesnější předpovědi, ale spíše takové extrémní odchylné hodnoty, že jsou prakticky zbytečné.

Někteří fyzici pracují na souvislostech mezi touto zdánlivou náhodností a strukturou ve velkém měřítku. Zkoumají vzorce v globálním klimatu, hromadné rozložení galaxií v superklastrech a změny populace v geologickém časovém měřítku. Předpokládají, že na makroskopické úrovni byly určité druhy organizace a konzistence umožněny pouze poruchou a nekonzistentností teorie chaosu.