34.5: Complexidade e caos
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique sistemas complexos.
- Discuta o comportamento caótico de diferentes sistemas.
Muito do que nos impressiona na física está relacionado às conexões subjacentes e à simplicidade básica das leis que descobrimos. A linguagem da física é precisa e bem definida porque muitos sistemas básicos que estudamos são simples o suficiente para que possamos realizar experimentos controlados e descobrir relações inequívocas. Nossos sucessos mais espetaculares, como a previsão de partículas não observadas anteriormente, vêm dos padrões subjacentes simples que conseguimos reconhecer. Mas existem sistemas de interesse para os físicos que são inerentemente complexos. As leis simples da física se aplicam, é claro, mas sistemas complexos podem revelar padrões que sistemas simples não revelam. O campo emergente da complexidade é dedicado ao estudo de sistemas complexos, incluindo aqueles fora dos limites tradicionais da física. De particular interesse é a capacidade de sistemas complexos se adaptarem e evoluírem.
Quais são alguns exemplos de sistemas adaptativos complexos? Um deles é o oceano primordial. Quando os oceanos se formaram pela primeira vez, eles eram uma mistura aleatória de elementos e compostos que obedeciam às leis da física e da química. Em um tempo geológico relativamente curto (cerca de 500 milhões de anos), a vida surgiu. Simulações de laboratório indicam que o surgimento da vida foi muito rápido para ter vindo de combinações aleatórias de compostos, mesmo que impulsionado por raios e calor. Deve haver uma habilidade subjacente do sistema complexo de se organizar, resultando na autorreplicação que reconhecemos como vida. As entidades vivas, mesmo no nível unicelular, são altamente organizadas e sistemáticas. Os sistemas de organismos vivos são eles próprios sistemas adaptativos complexos. O maior deles evoluiu para o sistema biológico que temos hoje, deixando vestígios no registro geológico das medidas tomadas ao longo do caminho.
A complexidade como disciplina examina sistemas complexos, como eles se adaptam e evoluem, procurando semelhanças com outros sistemas adaptativos complexos. Podem, por exemplo, ser traçados paralelos entre a evolução biológica e a evolução dos sistemas econômicos? Os sistemas econômicos surgem rapidamente, mostram tendências de autoorganização, são complexos (no número e nos tipos de transações) e se adaptam e evoluem. Os sistemas biológicos fazem todos os mesmos tipos de coisas. Há outros exemplos de sistemas adaptativos complexos sendo estudados em busca de semelhanças fundamentais. As culturas mostram sinais de adaptação e evolução. A comparação de diferentes evoluções culturais pode dar frutos, bem como comparações com a evolução biológica. A ciência também é um sistema complexo de interações humanas, como cultura e economia, que se adapta a novas informações e pressões políticas e evolui, geralmente se tornando mais organizado do que menos. Quem estuda o pensamento criativo também vê paralelos com sistemas complexos. Às vezes, os humanos organizam informações quase aleatórias, muitas vezes subconscientemente enquanto fazem outras coisas, e criam ideias criativas brilhantes. O desenvolvimento da linguagem é outro sistema adaptativo complexo que pode mostrar tendências semelhantes. A inteligência artificial é uma tentativa aberta de criar um sistema adaptativo que se auto-organize e evolua da mesma maneira que um ser vivo inteligente aprende. Esses são alguns dos diversos tópicos que estão sendo estudados por aqueles que investigam a complexidade. Agora existem institutos, periódicos e reuniões, bem como popularizações do tópico emergente da complexidade.
Na física tradicional, a disciplina da complexidade pode gerar insights em determinadas áreas. A termodinâmica trata os sistemas em média, enquanto a mecânica estatística lida com alguns detalhes com sistemas complexos de átomos e moléculas em movimento térmico aleatório. No entanto, há organização, adaptação e evolução nesses sistemas complexos. Fenômenos de não equilíbrio, como transferência de calor e mudanças de fase, são caracteristicamente complexos em detalhes, e novas abordagens para eles podem evoluir da complexidade como disciplina. O crescimento cristalino é outro exemplo de auto-organização emergindo espontaneamente em um sistema complexo. As ligas também são misturas inerentemente complexas que mostram certas características simples que implicam alguma auto-organização. A organização dos átomos de ferro em domínios magnéticos à medida que esfriam é outra. Talvez os insights sobre essas áreas difíceis surjam da complexidade. Mas, no mínimo, a disciplina da complexidade é outro exemplo do esforço humano para entender e organizar o universo ao nosso redor, parcialmente enraizado na disciplina da física.
Um antecessor da complexidade é o tema do caos, que foi amplamente divulgado e se tornou uma disciplina própria. Também se baseia parcialmente na física e trata amplas classes de fenômenos de muitas disciplinas. Caos é uma palavra usada para descrever sistemas cujos resultados são extremamente sensíveis às condições iniciais. A órbita do planeta Plutão, por exemplo, pode ser caótica, pois pode mudar tremendamente devido a pequenas interações com outros planetas. Isso torna seu comportamento de longo prazo impossível de prever com precisão, assim como não podemos dizer com precisão onde um satélite terrestre em decomposição pousará ou em quantos pedaços ele se quebrará. Mas a disciplina do caos encontrou maneiras de lidar com esses sistemas e foi aplicada a sistemas aparentemente não relacionados. Por exemplo, o batimento cardíaco de pessoas com certos tipos de arritmias potencialmente letais parece ser caótico, e esse conhecimento pode permitir um monitoramento e reconhecimento mais sofisticados da necessidade de intervenção.
O caos está relacionado à complexidade. Alguns sistemas caóticos também são inerentemente complexos; por exemplo, vórtices em um fluido em oposição a um pêndulo duplo. Ambos são caóticos e não previsíveis no mesmo sentido que outros sistemas. Mas pode haver organização no caos e também pode ser quantificada. Exemplos de sistemas caóticos são belos padrões fractais, como na Figura\(\PageIndex{1}\). Alguns sistemas caóticos exibem auto-organização, um tipo de caos estável. As órbitas dos planetas em nosso sistema solar, por exemplo, podem ser caóticas (ainda não temos certeza). Mas eles são definitivamente organizados e sistemáticos, com uma fórmula simples que descreve os raios orbitais dos primeiros oito planetas e do cinturão de asteróides. Vórtices em grande escala na atmosfera de Júpiter são caóticos, mas a Grande Mancha Vermelha é uma auto-organização estável da energia rotacional (Figura\(\PageIndex{2}\)). A Grande Mancha Vermelha existe há pelo menos 400 anos e é um sistema autoadaptável complexo.
O campo emergente da complexidade, como o agora quase tradicional campo do caos, está parcialmente enraizado na física. Ambos tentam ver uma sistemática semelhante em uma ampla gama de fenômenos e, portanto, gerar uma melhor compreensão deles. O tempo dirá o impacto que esses campos têm nas áreas mais tradicionais da física, bem como nas outras disciplinas com as quais se relacionam.
Resumo
- A complexidade é um campo emergente, enraizado principalmente na física, que considera sistemas adaptativos complexos e sua evolução, incluindo a auto-organização.
- A complexidade tem aplicações na física e em muitas outras disciplinas, como a evolução biológica.
- O caos é um campo que estuda sistemas cujas propriedades dependem de forma extremamente sensível de algumas variáveis e cuja evolução é impossível de prever.
- Sistemas caóticos podem ser simples ou complexos.
- Estudos sobre o caos levaram a métodos para entender e prever certos comportamentos caóticos.
Glossário
- complexidade
- um campo emergente dedicado ao estudo de sistemas complexos
- caos
- palavra usada para descrever sistemas cujos resultados são extremamente sensíveis às condições iniciais