Co to jest teoria chaosu?
Teoria chaosu odnosi się do zachowania niektórych układów ruchu, takich jak prądy oceaniczne lub wzrost populacji, które są szczególnie wrażliwe na niewielkie zmiany warunków początkowych, które powodują drastycznie różne wyniki. W przeciwieństwie do tego, co implikuje kolokwialnie, teoria chaosu nie oznacza, że świat jest metaforycznie chaotyczny, ani też nie odnosi się do entropii, przez którą systemy naturalnie zmierzają w kierunku nieuporządkowania. Teoria chaosu opiera się na niepewności związanej z pomiarami, precyzji przewidywań i nieliniowym zachowaniu pozornie liniowych układów.
Przed mechaniką kwantową teoria chaosu była pierwszym „dziwnym” pomysłem fizyki. W 1900 r. Henri Poincaré pomyślał o związku między wartościami w różnych punktach czasowych systemu, którego ogólne zachowanie można dokładnie przewidzieć, np. Planety na orbicie. Uświadomił sobie, że pomiaru, takiego jak pozycja, prędkość lub czas, nigdy nie da się dokładnie ustalić, ponieważ każdy instrument, który mógłby zostać opracowany, miałby ograniczenie jego czułości. Oznacza to, że żaden pomiar nie jest nieskończenie dokładny.
Poincaré wiedział, że ruch jest deterministycznie opisany przez szereg równań, które mogą dokładnie przewidzieć rzeczy, takie jak to, gdzie skończy się piłka, jeśli zostanie stoczona po pochylni. Teoretyzował jednak, że niewielka różnica w warunkach początkowych, oparta na prawie nieistotnych zmianach w pomiarze takim jak masa, może doprowadzić do dwóch zupełnie różnych wyników makroskopowych w dalekiej, dalekiej przyszłości. Teorię tę nazwano dynamiczną niestabilnością, a później naukowcy potwierdzili prawdziwość jego pomysłów.
Teoria chaosu bada zatem, w jaki sposób zorganizowane, stabilne systemy nie zawsze mogą dać sensowne prognozy na znacznie późniejszy czas, nawet jeśli krótkoterminowe zachowanie bardziej odpowiada oczekiwaniom. W rzeczywistości wszelkie przewidywania, które daje, mogą być tak bardzo rozbieżne, że nie są lepsze niż domysły. Jest sprzeczne z intuicją, że dokładniejsza wartość nie dałaby bardziej precyzyjnego wyniku.
Efekt kuli śnieżnej polegający na drobnej zmianie w wpływowych okolicznościach nazywany jest efektem motyla. Ta metafora sugeruje, że motyl trzepoczący skrzydłami, prawie niedostrzegalny wpływ, mógłby przyczynić się do rozwoju huraganu po drugiej stronie globu. Edward Lorenz przeprowadził pierwsze symulacje komputerowe w latach 60. XX wieku, które wykazały dynamiczną niestabilność przy rzeczywistych równaniach i danych.
Warunki początkowych nie można wywnioskować z późniejszych warunków, ani odwrotnie, w kilku ważnych systemach, takich jak ciśnienie atmosferyczne i prądy oceaniczne, które przyczyniają się do pogody i klimatu. To nie jest tylko scenariusz z życia, wynikający ze zbyt małej liczby termometrów w oceanie. Teoria chaosu jest weryfikowalną, spójną matematycznie teorią, która pokazuje, że czasami coraz bardziej precyzyjne pomiary wpięte w równania nie dają coraz bardziej precyzyjnych prognoz, ale raczej tak skrajnie rozbieżne wartości, że są praktycznie bezużyteczne.
Niektórzy fizycy pracują nad powiązaniami między tą pozorną przypadkowością a strukturą na dużą skalę. Badają wzorce w globalnym klimacie, rozkład masy galaktyk w supergromadach oraz zmienność populacji w geologicznej skali czasowej. Stawiają hipotezę, że na poziomie makroskopowym pewne rodzaje organizacji i spójności były możliwe tylko dzięki nieporządkowi i niespójności teorii chaosu.