Теорията на хаоса, непредсказуемостта и ефектът на пеперудата

Навярно би било интересно да се пътува във времето. Може например да се отиде в миналото, за да се предпази някой от фатална грешка, да се съберат доказателства за неразкрити престъпления и да се види как точно са живеели нашите далечни прадеди в африканската савана. Този идея е изключително популярна и Холивуд масово я използва.

Но според учените, светът е съвсем не е така спретнат и подреден, за да може да бъде направено нещо такова. Ако това бе така, то идентичните събития винаги биха довеждали до едни и същи модели и странични ефекти, а бъдещето би било изцяло предсказуемо и дори предрешено. За щастие теорията на хаоса твърди точно обратното, както и че пълното съвпадение и чистата случайност не са за нас. Ние съществуваме някъде по средата, в един свят, който на пръв поглед изглежда случаен, но всъщност се подчинява на точно определени правила и закони. Според теорията на хаоса дори и най-малките промени могат да доведат до радикални последствия в бъдещето – в някое друго място и друго време.

Теорията на хаоса е математически апарат, който показва, че малките промени могат да доведат до големи последици.

Теорията на хаоса

През 1970-те години американският математик и метеоролог Едуард Лоренц не само откри хаоса (което всъщност е било едно случайно събитие) но и идентифицира неговия ключов механизъм, отбелязвайки едно странно свойство – повторението (изграждането на траектория във времето) на всякакви две близки точки води до тяхното разделяне.

Всъщност хаосът е науката за неопределеността, нелинейността и непредсказуемостта. Докато повечето научни области се занимават с предполагаеми предсказуеми явления като гравитация, електричество или химичните реакции, теорията на хаоса демонстрира фактическата невъзможност за прогнозиране или контрола на явления  като турбуленцията, времето, икономиката, състоянието на мозъка и т.н.

Тези явления често се описват с помощта на фракталната математика, която отразява безкрайната сложност на природата. Почти всички природни обекти имат фрактални свойства, включително облаците, дърветата и реките, като много от структурите, в които живеем, демонстрират сложно и хаотично поведение.

Възприемането на нашия свят като хаотичен и фрактален ни дава нов начин за неговото разбиране и изследване. Хаосът съвсем не е безпорядък. Той изследва преходите между порядъка и безпорядъка, които често се осъществяват по изненадващ и удивителен начин.

Принципите на хаоса

Един от принципите на хаоса, предложени от Лоренц е добре познатият в научните среди ефект на пеперудата. Казано накратко, ако някоя пеперуда размаха криле някъде в България, напълно е възможно това да доведе до ураган в Ню Мексико, което в противен случай не би се състояло. На пръв поглед това изглежда като пълна безсмислица, но тази връзка е съвсем реална. Има редица научни работи, които я доказват математически.

Другият основен принцип е това, че съвсем малките промени в началните условия водят до изключително големи промени в крайния резултат. В края на краищата дори нашият живот е една непрекъсната демонстрация на този принцип. Някои изследователи се питат дали какви ще бъдат дългосрочните последствия от обучаването на милиони деца на хаос и фрактали.

Фракталите са безкрайно сложни модели, които се създават чрез многократно повторение на един и същ съвсем опростен математически процес, поставен в непрекъснат цикъл. Задвижвани от рекурсията фракталите са изображение на динамични системи – тоест, образи на хаоса.

Важно е да се уточни, че закономерностите в хаоса изглеждат скрити, понеже те са изключително чувствителни към всякакви, дори и най-малки промени. Това означава че на пръв поглед подобни, но не идентични ситуации могат да доведат до съвършено различни резултати. Казано с други думи, в един хаотичен свят последствията могат да бъдат съвършено непропорционални на техните причини. Въпреки че тези правила са детерминирани, бъдещето е непредсказуемо в дългосрочна перспектива.

Тъй като хаосът е до толкова чувствителен към малките промени, има почти безкрайни начини за следване на природните закони и правилата, а на нас ни е необходимо да знаем невероятно количество подробности за настоящето и миналото, за да определим какво ще бъде развитието на света.

Теорията на хаоса доказва, че малките промени могат да доведат до сериозни последствия. Но една от централните концепции на тази теория е невъзможността за точно предсказване и прогнозиране състоянието на дадена система.

Абсолютно по същия начин ние няма как да имаме всичката информация за миналото, просто знаейки текущите и дори бъдещите ситуации. При това едно хипотетично пътешествие във времето няма да ни помогне да възстановим информацията от миналото, понеже дори и при пътешествие назад във времето хаотичната система е в действие и води до непредсказуеми последствия.

Въпреки че ефектът на пеперудата е класическа поетична метафора, която много добре илюстрира теорията на хаоса, хаотичната динамика се проявява навсякъде в реалността, включително при ръста на популацията на тигрите и въртенето на луните на Плутон.

Съществува ли наистина ефектът на пеперудата

И така, понеже ние няма как да знаем абсолютно всички начални условия на една сложна система с достатъчно подробности и детайлност, няма как и да се надяваме да предскажем или поне прогнозираме крайната съдба на същата тази система. Но резултатите от изследванията в областта на квантовата физика, които бяха направени в Националната лаборатория в Лос Аламос показаха, че така нареченият ефект на пеперудата е преодолим при квантовата механика. Там е възможно да бъдат пресъздадени събитията от близкото минало, което всъщност означава да се обърне хода на времето. Това е доста спорен момент и научната работа, публикувана преди около една година година в списание Physical Review Letters показва, че няма никакви сериозни доказателства за съществуването на ефекта на пеперудата в квантовата механика.

Според авторите на тази научна работа, обикновен мислен експеримент по възстановяване на информацията от миналото с помощта на обръщане на хода на времето се очаква да доведе до точно същия ефект на пеперудата, както и в знаменития разказ на Рей Бредбъри „И гръмна гръм“. В този разказ пътешественик във времето случайно настъпва насекомо в далечното минало и като се връща назад разбира, че светът изцяло се е променил.

Но проведените преди около година практически експерименти с помощта на квантов компютър показаха, че в квантовия свят ефектът на пеперудата се опровергава. Силната заплетеност в квантов смисъл означава, че системата още в началото е имала устойчиви квантови зависимости между своите отделни компоненти. Предстоят още експерименти.