Kaos vs. tilfældighed:Hvad komplekse systemforskere afslører om forudsigelighed

Når folk tænker på "kaos", forestiller de sig ofte, at dinosaurer løber løbsk, eller et lille barn laver kaos i en stue. I fysik og klimavidenskab har kaos imidlertid en præcis, videnskabelig betydning:den dramatiske forstærkning af uendelige små forskelle, der gør langsigtede forudsigelser umulige.

I et kaotisk system kan små ændringer i nuet snebold til vidt forskellige udfald. Tænk på to næsten identiske historier. I den ene går en passager forbi et tog med ti sekunder og møder aldrig en ven; i den anden er toget forsinket, mødet sker, og resten af ​​fortællingen divergerer. Disse små variationer kan virke trivielle, men deres kumulative effekt er det, der skaber kaos.

Eksperimenter i 1960'erne og 70'erne viste, hvor let det er at gøre et forudsigeligt system til et kaotisk. Et simpelt pendul, som det i et bedstefars ur, svinger på en perfekt periodisk måde. Tilføj en anden aksel halvvejs nede, og bevægelsen bliver vildt uforudsigelig, hvilket illustrerer sommerfugleeffekten.

Kaos er forskellig fra tilfældighed

Som videnskabsmand i komplekse systemer bruger jeg meget tid på at tænke på grænsen mellem tilfældighed og kaos. Tilfældighed – som udfaldet af et blandet sæt kort eller et kast med en terning – er uforudsigeligt, fordi vi mangler den information, der er nødvendig for at kende den næste tilstand. Kaos sidder mellem tilfældighed og determinisme:kortsigtet adfærd er forudsigelig, men forudsigeligheden bryder hurtigt sammen.

Hvorfor kaosteori betyder noget

Newton forestillede sig et urværksunivers styret af uforanderlige love, hvilket tyder på, at når først de første betingelser er fastsat, er fremtiden forudbestemt. Kaosteori viser, at selv med perfekt kendskab til de styrende regler, kan de mindste usikkerheder forstærkes til det punkt, hvor resultatet faktisk er ukendeligt.

Denne indsigt forklarer, hvorfor vejrudsigter mister nøjagtighed ud over omkring to uger. Men det fortæller os også, hvorfor sæsonbetingede klimamønstre forbliver forudsigelige:Selvom vejret hver dag er en kaotisk krusning, er det overordnede klima styret af langsigtede statistiske regelmæssigheder.

Denne indsigt forklarer, hvorfor vejrudsigter mister nøjagtighed ud over omkring to uger. Men det fortæller os også, hvorfor sæsonbetingede klimamønstre forbliver forudsigelige:Selvom vejret hver dag er en kaotisk krusning, er det overordnede klima styret af langsigtede statistiske regelmæssigheder.

I praksis hjælper kaosteori videnskabsmænd med at afgrænse, hvilke forudsigelser der er mulige, og hvilke der ikke er. Det minder os om, at nogle systemer, uanset hvor godt vi måler dem, i sagens natur er begrænsede i forudsigelighed.

Mitchell Newberry, assisterende professor i komplekse systemer, University of Michigan.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet i The Conversation under en Creative Commons-licens.