Fascinația Fenomenelor Emergente și Nașterea Comportamentului Colectiv

Undeva la sfârșitul secolului XIX, atitudinea dominantă în știință era aceea că principalele legi și ingrediente fuseseră deja descoperite. Un curaj nebunesc însoțea această atitudine, dar și o aroganță neproductivă – mai târziu numită “provincialism temporal” [1] – ce se instala în marile centre universitare. Știința secolelor următoare fusese deja trasată, iar destinul cunoașterii umane rezolvat. Nimic nu era dicolo de puterile științei cunoscute, înarmate cu ecuațiile diferențiale ale lui Newton, cu legile termodinamicii ale lui Rankine, Clausius și Lord Kelvin, sau cu ecuațiile electrodinamicii clasice ale lui Maxwell. Comportamentul oricarui obiect din Universul cunoscut putea fi înțeles prin analiza elementelor sale constitutive. Această filosofie care a mers atât de departe încât, în acelasi secol, Laplace definea prezentul ca “efectul trecutului și cauza viitorului”. Chiar mai târziu, la 1900, Lord Kelvin spunea: “Nu mai este nimic de descoperit în fizică. Ne rămâne doar să îmbunătățim măsurătorile.” [2]. Mai mult încă, după ce in 1887, împreuna cu Edward Morley, Albert Michelson dovedea absenta eterului luminifer – punând astfel bazele Teoriei Speciale a Relativitatii a lui Einstein – 7 ani mai tarziu, și pe deplin conștient de importanța măsuratorilor sale, susținea că: “Cele mai importante legi ale fizicii au fost descoperite, iar acestea sunt astazi atât de bine stabilite că posibilitatea ca ele să fie detronate ca urmare a altor descoperiri este infimă. Toate descoperirile viitoare trebuie căutate în precizia masuratorilor, dincolo de a șasea zecimală.” [3].
În această concepție aroganța omniscienței trona, iar ignoranța nu-și găsea locul. Problemele nerezolvate încă erau o chestiune de tehnică de calcul, de finețe și experiență în manipularea termenilor unor ecuații sau a aparatelor de măsură. Consensul asupra acestei stări de fapt în privința funcționării Universului era atat de bine înrădăcinat încat faptul că nimic nou nu mai putea fi descoperit devenise axiomatic.

Una din problemele fundamentale ale comunicării științei este legată de ideea că știinta este exactă, că abilitatea noastră de a calcula precis și a prezice este (cel puțin teoretic) infinită, că daca ni se dă destul timp și avem destule resurse, putem recrea Natura cu ecuațiile noastre, o putem înțelege și prezice. Nu este nici pe departe așa, și alegerea sintaxei “științe exacte” nu facilitează deloc comunicarea, ba dimpotrivă, o face și mai confuză. Concepția datează din secolele XVIII-XIX când lumea academică se congratula în acel consens că totul a fost descoperit și că nimic nu poate scăpa calculului. Implicațiile acestei concepții sunt profunde. Chiar și modul în care fizica este predată astazi, de exemplu, este bazat pe această concepție. În manuale și cursuri sunt de obicei prezentate exemple care pot fi rezolvate, situații care sunt sub controlul complet al aparatului de calcul, probleme care au un răspuns definitiv, fără aspecte necunoscute, fără termeni incerți. Situațiile descrise de aceste ecuații sunt simple exerciții, departe de lumea naturala, de situațiile experimentale. Ele constituie mai degrabă excepții notabile și nu norma. Sunt, de fapt, pedanterii academice.

Este ușor de perceput paralela între acest mod de a preda știintele exacte și certitudinile oamenilor de știință ai secolului XIX. Pentru cei care nu urmează o carieră științifică, se crează impresia că luând legile fundamentale și aplicându-le unei probleme date, vom obține un răspuns precis, exact, că putem prezice astfel comportamentul viitor al unui sistem. Se crează impresia că odata cunoscute legile și componentele, totul este o chestiune de inginerie sau de tehnica de calcul. În realitate lucrurile nu stau deloc așa. Pe lângă descoperirile care aveau să fie făcute în următoarele decade, și pe care nu le vom aborda aici, oamenii de știință ai sfârșitului de secol XIX nu înțelegeau doua lucruri: că legile simple pot avea consecințe impredictibile și că simpla posibilitate de a reduce lumea naturală la legi simple, nu implică posibilitatea inversă de a o reconstrui plecând de la aceste legi. Prima revelație a condus la teoria haosului, iar a doua a condus la teoria fenomenelor emergente [4]. Teoria haosului este o discutie la fel de amplă, poate pentru un alt articol.

Așa cum – prin analogie – mișcările de mase, revoluțiile sau protestele ample sunt fenomene sociale situate dincolo de reprezentarea unui singur individ sau a unui grup restrâns, așa și particulele identice – atunci când sunt în numar mare într-un sistem și interacționează între ele – dau naștere unor fenomene de ansamblu, numite fenomene emergente. Acestea sunt, deci, proprietăți colective, proprietăți ce caracterizează comportamentul ansamblurilor și nu al constituenților elementari ai sistemului [5].

Referindu-ne din nou la fizică, exemplele cele mai familiare de sisteme care prezintă fenomene emergente includ stolurile de păsari (mai ales cele de grauri), dunele de nisip, sau vârtejurile de orice tip. Ele sunt ori rezultatul unei dinamici a sistemului departe de echilibru (dunele de nisip după o furtuna), sau se formeaza chiar în timpul acestei dinamici (stolurile de grauri). Intuitiv, un fenomen emergent apare ca un comportament surprinzător, spontan, limitat în timp și ca răspuns la un stimul extern, în dinamica sistemului [6]. În acest context, “surprinzător” înseamnă că existența sa nu poate fi prezisă din analiza constituenților sistemului; structura vălurită a dunelor de nisip nu poate fi prezisă din analiza formei sau a mișcării firelor de nisip individuale 11. Cu alte cuvinte, întregul nu este numai o sumă a parților, o sumă a consituenților elementari ai sistemului, ci și ceva diferit de această sumă a lor [7].

Pentru că comportamentul unui numar mare de constituenți este imposibil de prezis cunoscând doar comportamentul câtorva elemente, ipoteza că din întelegerea legilor simple (zise și “ale Naturii”) putem extrapola la probleme complexe, nu se confirmă. Odată cu creșterea numărului de componente elementare, proprietați noi apar la scale diferite, și fiecare domeniu se bazeazâ pe legi, proprietați, concepte și generalizări complet diferite, născute din agregarea unui număr mare de componente de la nivelul inferior. Chimia nu este, asadar, doar fizică aplicată, așa cum nici psihologia nu este biologie aplicată. Repet: chimia nu poate fi redusă la fizică, biologia nu poate fi redusă la (bio)chimie, psihologia nu poate fi redusă la anatomie plus fiziologie, și sociologia nu poate fi redusă la psihologie. Acestea sunt, pur și simplu, domenii diferite, în care constituenți elementari sunt alții, și se supun individual unor altor legi decât cei de la o scală inferioară. Revenim astfel la exemplul care opunea complexitatea unei revoluții simplității – aparente, desigur – unui individ.

La momentul actual, așa numita fizică a materiei condensate este unul dintre cele mai active domenii din fizică. În ultimii 20 de ani, resursele computaționale și miniaturizarea functională au permis investigarea proprietățior materiei la nivel de atomi. Și dacă comportamentul fiecarui atom poate fi explicat cu ajutorul fizicii cuantice, ansamblurile de atomi manifestă proprietați complet diferite.
În mod excepțional, în 2016, fenomenele emergente s-au situat în centrul atenției atunci când a venit vorba despre acordarea premiului Nobel pentru fizică.  Ultimul Nobel acordat pentru fenomene emergente data din 2001 când doi fizicieni americani și un neamț au împărțit acest premiu pentru studiul proprietăților condensării Bose-Einstein. Cei trei laureați din acest an s-au remarcat prin studiile lor asupra așa numitelor lichide cuantice topologice.
Pentru a descrie transportul sarcinilor electrice într-un material atunci cînd acesta este plasat într-un câmp electric, se folosește conductivitatea electrică. În general aceasta este o marime are variază continuu. Dacă temperatura unui strat foarte subțire de material, așezat într-un câmp magnetic, este coborâtă până aproape de zero absolut, conductivitatea sa electică nu mai variază continuu ci în trepte. În stratul de material, electronii se comportă ca un lichid cuantic care curge sub acțiunea câmpului electric. Coborând gradual intensitatea câmpului magnetic conductivitatea electrică se dublează brusc, pentru ca mai apoi, la fel de brusc, să se împătrească. Sub actiunea campului magnetic, în lichid se formează perechi de vartejuri care, la temperaturi foarte scăzute, se situează în stransă vecinatate [8]. Numărul acestor perechi variază cu intensitatea câmpului magnetic aplicat (2, 4, 6, …) ceea ce explică variația bruscă a conductivității electrice. Explicarea acestui fenomen emergent le-a adus celor trei fizicieni premiul Nobel.

Recent, s-a pus întrebarea dacă nu cumva chiar gravitația este un fenomen emergent. Descrisă, pentru moment, de Teoria Generală a Relativității, gravitația este vazută ca una dintre cele patru forțe fundamentale în Natura: electromagnetică, nucleară slabă, nucleară tare și gravitațională. Istoria gravitației începe cu Physica lui Aristotel, capată un aspect experimental important cu Galilei, și este fundamentată odată cu apariția Philosophiae Naturalis Principia Mathematica a lui Newton. Cu toate că formalismul lui Newton a reușit să dea o expresie legii gravitației, această forță este “dată” în formularea newtoniană, i.e., nu apare drept consecință a unui fenomen fizic; este pur și simplu impusă în formalism. Pasul următor a fost făcut de Einstein care a dat un motiv apariției atracției gravitaționale. Astfel,  în Teoria Generală a Relativității, atracția gravitațională este rezultatul curburii spațiu-timp în prezența masei. Dar chiar și această teorie nu explică apariția gravitației. Teoria Generală a Relativității tratează gravitația ca pe o consecință a prezenței unei mase, fară a explica procesul prin care atracția gravitațională apare.
Recent, fizicianul olandez Erik Verlinde a încercat explicarea gravitației din punct de vedere microscopic considerând-o un fenomen emergent. Teoria sa dă o explicație câmpului gravitațional ca fiind rezultatul schimbului de informație între diversele regiuni microscopice de spatiu-timp. Practic, atunci când apare o masa într-un volum de spatiu timp, conținutul informațional al diferitelor regiuni se schimbă dând naștere câmpului gravitațional. Departe de a înlocui, pentru moment, Teoria Generală a Relativității, teoria lui Verlinde a trecut deocamdată primul test experiemntal explicând cu success de ce, pentru distanțe mult mai mari decăt diametrul unei galaxii medii, câmpul gravitațional este mult mai puternic decât prezice teoria generală a relativității a lui Einstein. Practic, pentru moment, considerând gravitația ca fenomen emergent, Verlinde a reușit să calculeze corect câmpul gravitațional la distante foarte mari, lucru care în teoria lui Einstein dă un raspuns greșit și necesită introducerea așa numitei materii întunecate pentru a explica deviația luminii la distanțe mari de masa observabilă a galaxiilor. Desigur, alte teste și rafinări ale teoriei sunt necesare [9], dar această revoluționară schimbare de perspectivă, în care gravitația este privită ca un fenomen emergent, este poate, pentru moment, cea mai promițătoare cale de progres.

Fenomenele emergente sunt proprietăți ale sistemelor care apar din interacțiunea colectivă a componentelor acestora, proprietăți care nu pot fi prezise analizând doar structura sau comportamentul un număr redus de constituenți supuși legilor fundamentale. Cu toate că fenomenele emergente sunt omniprezente în știința contemporană și că o parte seminificativă a cercetării de astăzi este axată pe înțelegerea lor, acceptarea și înglobarea lor în structura modului de gandire pare a se confrunta cu o rezistență invizibilă. Reducționismul, posibilitatea de a deduce legi fundamentale prin simplificare, nu implică și posibilitatea de a descrie complexitatea inițială reconstruind-o pornind de la legile fundamentale astfel descoperite. Și poate că asta interferă cu dorința noastră ca efortul de a întelege sa nu fi fost în zadar. Simplul fapt că putem formula aceste legi, nu ne dă dreptul să reducem complexitatea lumii la ele, și nici să stabilim o ierarhie a științelor. Fascinația acestor fenomene le face un candidat excepțional pentru știința secolului XXI, iar includerea explorării acestora în cadrul cunoștințelor fundamentale nu poate decât să lărgească orizonturile, evitând provincialismul temporal de care ne-am făcut vinovați în trecut.


Bibliography

[1]  J. Allen Hynek scrisoare către revista Science, 1 August 1966.

[2] Prelegerea ținută în fața British Association for the advancement of Science. London, 1900. (traducerea autorului)

[3] Discurs la deschiderea laboratorului de fizică Ryerson. Chicago, 1894. (traducerea autorului)

[4] Nota bene: nu există o singură teorie pentru toate fenomenele emergente observate.

[5] Vom numi “constituenti elementari ai unui sistem” elementele mai mult sau mai putin identice care luate impreuna formeaza un sistem. O lada cu mere are drept constituenti elementari merele. Un gaz electronic are drept constituenti elementari electronii.

[6] O proprietate interesantă a fenomenelor emergente este că local pot crea ordine, inversând sensul entropiei. Cu alte cuvinte pot produce structuri organizate care local, și deci aparent, scad entropia. Din acest motive fenomenele emergente sunt cunoscute și ca “self-oganizing phenomena”.

[7] P. W. Anderson, More is different, Science 177, 393 (1972).

[8] Odată cu creșterea temperaturii, acestea se împrăștie pe suprafața lichidului cuantic.

[9] Valabilă deocamdată doar în aproximația unui sistem static, sferic și izolat, extinderea teoriei la cazuri mai complexe și dinamice nu va fi ușoară. În plus, această teorie va trebui să raspundă criticilor și mai ales experimentelor.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s