Wat is chaostheorie?
Chaostheorie verwijst naar het gedrag van bepaalde bewegingssystemen, zoals zeestromingen of bevolkingsgroei, om bijzonder gevoelig te zijn voor kleine veranderingen in startomstandigheden die resulteren in drastisch verschillende resultaten. In tegenstelling tot wat het in de volksmond impliceert, betekent chaostheorie niet dat de wereld metaforisch chaotisch is, noch verwijst het naar entropie, waardoor systemen van nature neigen naar wanorde. Chaostheorie berust op de onzekerheid die inherent is aan metingen, de precisie van voorspellingen en het niet-lineaire gedrag van schijnbaar lineaire systemen.
Vóór de kwantummechanica was chaostheorie het eerste 'rare' idee van de fysica. In 1900 dacht Henri Poincaré na over de relatie tussen waarden op verschillende tijdstippen van een systeem waarvan het algemene gedrag nauwkeurig kon worden voorspeld, zoals een planeet in een baan om de aarde. Hij realiseerde zich dat een meting, zoals positie, snelheid of tijd, nooit precies kan worden vastgesteld, omdat elk instrument dat mogelijk zou kunnen worden ontwikkeld een beperking van de gevoeligheid zou hebben. Dat wil zeggen, geen meting is oneindig nauwkeurig.
Poincaré wist dat beweging deterministisch wordt beschreven door een reeks vergelijkingen die nauwkeurig dingen kunnen voorspellen, zoals waar een bal zal eindigen als hij over een helling wordt gerold. Hij theoretiseerde echter dat een klein verschil in initiële omstandigheden, gebaseerd op bijna onbeduidende variaties in een meting zoals massa, zou kunnen resulteren in twee volledig verschillende macroscopische resultaten ver, ver in de toekomst. Deze theorie werd dynamische instabiliteit genoemd en latere wetenschappers bevestigden de juistheid van zijn ideeën.
Chaostheorie bestudeert daarom hoe georganiseerde, stabiele systemen niet altijd veel zinvolle voorspellingen kunnen opleveren voor een veel later tijdstip, hoewel kortetermijngedrag de verwachtingen beter volgt. In feite kunnen alle voorspellingen die het oplevert zo wild verschillen dat ze niet beter zijn dan gissingen. Het is contra-intuïtief dat een nauwkeurigere waarde geen nauwkeurigere uitvoer zou opleveren.
Het sneeuwbaleffect van een kleine verandering in invloedrijke omstandigheden wordt het vlindereffect genoemd. Deze metafoor suggereert dat een vlinder die met zijn vleugels klapt, een bijna onmerkbare invloed, zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van een orkaan aan de andere kant van de wereld. Edward Lorenz deed de eerste computersimulaties in de jaren zestig die dynamische instabiliteit vertoonden met werkelijke vergelijkingen en gegevens.
De initiële omstandigheden kunnen niet worden afgeleid uit latere omstandigheden, en vice versa, in verschillende belangrijke systemen, zoals atmosferische druk en oceaanstromingen die bijdragen aan het weer en het klimaat. Dit is niet alleen een realistisch scenario, het resultaat van zoiets als te weinig thermometers in de oceaan. Chaostheorie is een verifieerbare, wiskundig consistente theorie die laat zien dat soms steeds nauwkeurigere metingen die in vergelijkingen zijn gestoken geen steeds nauwkeurigere voorspellingen opleveren, maar eerder zulke extreem uiteenlopende waarden dat ze praktisch nutteloos zijn.
Sommige natuurkundigen werken aan verbanden tussen deze schijnbare willekeur en grootschalige structuur. Ze onderzoeken patronen in het wereldwijde klimaat, massadistributie van sterrenstelsels in superclusters en populatievariatie op een geologische tijdschaal. Ze veronderstellen dat op macroscopisch niveau bepaalde soorten organisatie en consistentie alleen mogelijk zijn gemaakt door de wanorde en inconsistentie van de chaostheorie.