Determinism si predictibilitate , impredictibilitate. Comportamenul haotic.Conditii

In jurul nostru abunda exemplele de fenomene care se pot explica in cadrul unei conceptii deterministe.Dar, nimeni nu accepta existenta unui determinist universal, in sensul ca tot adeptii determinismului sunt de acord ca nu totul in natura este predictibil .

                Pentru aprofundarea acestei idei sa ne imaginam ca avem la dispozitie un mecanism determinist, perfect reglat si in principiu predictibil, cum ar fi un ceas, pe care il asezam in varful unui munte sau in orice alt loc izolat, astfel incat momentul pornirii sale (conditiile initiale) devine inaccesibil.In acest mod, absolute banal, indicatia ceasului devine pentru noi impredictibila, fara a putea afirma insa ca sistemul (ceasul) are o comportare nedeterminista .

                Astfel putem afirma ca unele fenomene fizice respecte legi deterministe fara a fi predictibile.

                Natura este plina de miracole si mistere , este complexa si singura prevedere pe care o putem face asupra a ce va urma este ca este impredictibila.

                Pe baza celor expuse putem afirma ca exista multe fenomene fizice guvernate de legi deterministe, care in principiu ar trebui sa se desfasoare intr-o maniera predictibila, dar care in practica devin impredictibile datorita sensibilitatii lor la conditiile initiale . Cu alte cuvinte o variatie mica a conditiilor initiale ale unui  system determina o modificare majora a evolutiei in timp a acestuia care este impredictibila. Exemplu oferit de John Briggs: “ Caldura degajata de capota unui automobile sau vantul produs de aripile unui tnatar in Madagascar, aproape orice element apparent nesimnificativ si neinclus in rezultatul masuratorilor effectuate de un meteorolog poate fi sufficient pentru a schimba comportamentul sistemului meteorologic din Londra” (anul 1992).

                Chiar si sistemele simple ai caror parametrii sunt definiti clar pot avea o comportare haotica.Un system haotic genereaza cu ajutorul unei reguli pur deterministe o comportare apparent complet intamplatoare . 

Haosul determinist este sensibil la conditiile initiale astfel sau variatia minora a parametrilor unei stari poate conduce rapid la trecerea intr-o alta stare foarte mult diferita de precedenta. Sistemul haotic este local instabil si permite variatii mici ale parametrilor sai care pot determina variatii mari oriunde in sistem.Exemplu : procesele de intindere si de indoire.

                Disproportia dintre variatiile mici ale parametrilor la un moment dat si consecintele majore ale acestora indica caracterul de neliniaritate a sistemelor haotice .

                Al doilea principiu al termodinamicii prevede ca sistemele evolueaza astfel incat ordinea se dezvolta spre dezordine , iar complexitatea ia locul simplitatii . Privind in jurul nostrum observam ca:

·         Plantele cresc din seminte simple devenind entitati complexe

·         Ouale cellule singulare fertilizate cresc pana devin organism adulte complexe

·         Curentul electric care strabate un amestec de molecule simple produce substante chimice atat de complexe cum sunt aminoacizii

·         In ultimul milliard de ani viata a evoluat de la organisme unicelulare la forme foarte complexe

Sistemele care devin mai ordonate odata cu trecerea timpului si in care entropia scade se numesc sisteme auto-organizate . De exemplu plantele si animalele absorb energie de la soare sau energie chimica din alimente , folosesc aceasta energie si apoi cedeaza caldura mediului inconjurator prin evaporare , dezintegrare sau prin alte procese. Acest flux de energie permite sistemelor sa-si mentina sau chiar sa-si creasca ordinea la un grad inalt tinzand spre o entropie foarte scazuta .

        Entropia intregului sistem incluzand pamantul si soarele creste semnificativ permitand subsistemelor selectate sa-si scada entropia sis a devina mai ordonate. Al doilea principiu al termodinamicii nu este contrazis in ansamblu dar acesta trebuie aplicat sistemelor complexe isolate formate din subsisteme care interactioneaza si nu doar unu singur subsistem care nu este izolat.

        Fulgul de zapada din figura 1 este un exemplu minunat fulgul de nea este compus din molecule de apa. Daca apa ingheata miscarea aleatorie a moleculelor de apa este transformata intr-un cristal ordonat superior. Entropia moleculelor de apa scade cu certitudine dar apa nu ingheata ca un sistem izolat. Pentru ca aceasta sa inghete caldura trebuie sa fie transferata de la apa la aerul inconjurator. Entropia aerului creste mai mult decat scade entropia apei.Astfel entropia totala a sistemului apa+aer creste cand se formeaza cand se formeaza un fulg de zapada exact asa cum prevede al doilea principiu al termodinamicii.

 Un fulg de zapada este un aranjament superior ordonat de molecule de apa. Prin creerea unui fulg de zapada , entropia apei scade , dar al doilea principiu al termodinamicii nu este contrazis deoarece moleculele de apa nu formeaza un sistem izolat.

        Auto orgonizarea sistemelor are aplicatii importante in domenii variate , de la ecologie la stiinga computerelor si pana la inginerie aeronautica . Exemplu: Curgerea aerului in jurul unei aripi de avion provoaca turbulente la scara mare; curenti si vartejuri in urma lasata de avion. Formarea acestora afecteaza aerodinamica avionului si poate creea situatii neprevazute pentru aparatele de zbor . Vartejurile sunt structure ordonate la scara macroscopica dar acestea sunt produse din dezordine din ciocniri intamplatoare ale moleculelor de aer .

        In natura intalnim multe sisteme auto-organizate astfel in figura 2 este prezentata imaginea unei colonii de bacteria crescuta in conditii restrictive . Oare aceasta imagine este rezultatul doar a unor procese fizice sau reprezinta auto-organizarea si comunicarea la multe nivele a acestor sisteme .

Asemanator in botanica cum este cazul florii soarelui sau a unui con de pin , in ambele cazuri asezarea ordonata este asezata in spirala.

      In natură şi tehnică există sisteme a căror eoluţie în timp este deterministă,dar impredictibilă:geometria norilor,forma şi frecvenţa de apariţie a fulgerelor,declanşarea cutremurelor,etc.Asemenea fenomene depind de cauze,dar,au evoluţia sensibilă la condiţiile iniţiale: o mică modificare nerepetitivă a cauzei(denivelare,frecare,interacţiune locaă,etc.)produce o mare modificare a efectului,deci repetarea identică a acestora este imposibilă.Mici fluctuaţii ale interacţiunilor locale schimbă comportarea sistemului considerat şi fac dificilă sau chiar imposibilă predicţia.           Un sistem sau proces cu evoluţie neliniară,adică în care efectul nu este proporţional cu cauza,este descris printr-un set de ecuaţii neliniare.            Teoria haosului se ocupă cu studiul sistemelor dinamice neliniare. Conceptul haos se asociază impredictibilităţii şi nu dezordinii.      * Investigarea experimentaă a comportamentului haotic în sisteme fizice         Studiul unor siteme simple cu comportamentul haotic:  1.Căderea frunzelor şi a fulgilor sunt fenomene deterministe,dar impredictibile datorită fluctuaţiei interacţiunilor locale care schimbă necontrolat traiectoriile acestora.Forţele de frecare aleatorii fac imposibilă repetarea identică a unei evoluţii.                2.Să analizăm mişcarea prin aer a unui fulg plasat deasupra suprafeţei calde a unei plite.Mişcarea ascendentă de convecţie a aerului încălzit deasupra suprafeţei calde poate să imprime fulgului o mişcare ascendentă până la o înălţime la care forţa ascensională echilibrează forţa de greutate,apoi traiectoria fulgului devine un "dans" cu urcări şi coborâri,cu schimbări ale direcţiei de deplasare,impredictibile,diferite de fiecare dată la repetarea experimentului.                 *Evoluţia unor sisteme fizice concrete,întâlnite în practică,aflate departe de echilibru                Determinismul din mecanica clasică este rezultatul simplificărilor operate.În realitate,majoritatea sistemelor sunt neliniare şi nedeterministe,cu câteva cazuri particulare care pot fi considerate liniare.Metoda utilizată pentru descrierea fenomenelor fizice prin sisteme de ecuaţii liniare,pe care putem să le rezolvăm,ne permite să descriem doar aproximativ realitatea.În modele fizice introduse de Newton,Leibnitz şi Lapace,caracterul determinist al evoluţiei unui sistem fizic constă în faptul că starea viitoare a sistemului este univoc determinată de valorile variabilelor la un moment de timp(considerat iniţial) şi legea de evoluţie.              Cursul unui râu de munte este predictibil deoarece apa curge alegând drumul de minimă rezistenţă,dar traiectoriile moleculelor de apă sunt impredictibile.

REZUMAT:

Unele fenomene fizice guvernate de legi deterministe , care in principiu ar trebui sa se desfasoare intr-o maniera predictibila in practica devin impredictibile datorita sensibilitatii lor la conditiile initiale Sistemul haotic este local instabil si permite variatiei mici ale parametrilor sai care pot determina variatii mari oriunde in sistem Disproportia dintre variatiile mici ale parametrilor la un moment dat si consecintele majore ale acestora indica caracterul de neliniaritate a sistemelor haotice Sistemele care devin mai ordonate odata cu trecerea timpului in care entropia scade se numesc sisteme auto-organizate

https://www.youtube.com/watch?v=-MD7GNJByi8