Kompleksni sustavi

Od fraktalnih uzoraka pahuljica do staničnih oblika života, naš je svemir pun složenih pojava – ali kako nastaje ta složenost? Složeni pojavni fenomeni često se ne mogu predvidjeti razumijevanjem ponašanja sastavnih dijelova koji su u njihovoj osnovi. Drugim riječima, smatra se da su nastali sustavi veći od zbroja njihovih dijelova. Kao što je nobelovac Philip Anderson rekao: „Više je drugačije!“ Drugim riječima redukcionizam ne funkcionira uvijek pa čak ni u znanosti. Netko može dobro razumjeti proces proizvodnje cigle, ali za njihovo slaganje u kuću ili zgradu potrebna su druga znanja, koja posjeduju arhitekti i statičari. Ta znanja opet nisu dovoljna kad želimo organizirati kuće u grad pa su nam potrebni urbanisti. Više cigli organiziranih u grad ne možemo objasniti međudjelovanjem dviju cigli.

Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann i Giorgio Parisi / Ill. N. Elmehed © N.P. Outreach

Kompleksni sustavi sastoje se od mnogo različitih dijelova što djeluju jedni na druge. Nije uvijek lako snaći se u šumi raznih međudjelovanja. Znanstvenici često pojednostavnjuju modele da bi znali izračunati i predvidjeti što se zbiva. No neki sustavi imaju golem broj komponenti ili, još gore, njima može upravljati slučajnost. Osim toga ti sustavi mogu biti kaotični, pri čemu male devijacije početnih parametara daju velike promjene u kasnijoj fazi. Npr. kao da mahanje leptira krilima u jednoj zemlji uzrokuje tornado u drugoj.

Nedavni rad Enkeleide Lushi i kolega sa Sveučilišta Brown pokazao je da bakterije u kapi vode spontano tvore dvosmjerni vrtlog, pri čemu bakterije u blizini središta kapljice kruže u suprotnom smjeru od onih blizu ruba. Budući da se bakterije ne odlučuju svjesno za stvaranje dvosmjernog vrtloga, za takvo se ponašanje kaže da je „nastalo“. Za razliku od glazbe iz orkestra pod vodstvom dirigenta, novonastalo ponašanje nastaje spontano zbog (često jednostavnih) interakcija sastavnih dijelova međusobno i s okolinom. Tu ne postoji „vođa“ koji odlučuje o ponašanju sustava.

Ponašanje se ponekad razumije kroz razvoj pojednostavnjenih modela, poput staničnih automata. Takvi modeli uključuju interakcije između elemenata sustava i njihov učinak na okoliš. U slučaju bakterija u kapljici vode pojava visoko uređena, dvosmjernog vrtloga proizlazi iz jednostavnih interakcija između bakterija i učinka njihova pogona na svojstva tekućine.

Zapravo se može tvrditi da bogatstvo svijeta oko nas proizlazi iz složenog ponašanja mnogih međusobno povezanih komponenti. Kako je elegantno rekao njemački znanstvenik i inženjer Jochen Fromm: „Jedna molekula vode nije tekućina, jedan atom zlata nije metal, jedan neuron nije svjestan, a jedna aminokiselina nije živa.“ Složeno ponašanje jata ptica, kolonija mrava, rojeva pčela i jata riba proizlazi iz interakcija sastavnih dijelova odgovarajućih sustava.

Ovogodišnji nobelovci iz fizike: Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann i Giorgio Parisi, pridonijeli su, svaki na svoj način, stjecanju većeg znanja o kompleksnim sustavima i njihovu dugoročnom razvoju. Syukuro Manabe pokazao je kako povećane koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi dovode do povišenih temperatura na površini Zemlje. Šezdesetih godina prošlog stoljeća razvijao je fizičke modele klime na Zemlji i bio je prva osoba koja je istražila interakciju između ravnoteže zračenja i okomitog transporta zračnih masa. Njegovo je djelo postavilo temelje za razvoj klimatskih modela. Otprilike deset godina poslije Klaus Hasselmann stvorio je model koji povezuje vrijeme i klimu, čime je odgovorio na pitanje zašto klimatski modeli mogu biti pouzdani unatoč tome što je vrijeme promjenjivo i kaotično. Također je razvio metode za identificiranje specifičnih signala, otisaka prstiju, koje prirodni fenomeni i ljudske aktivnosti utiskuju u klimu. Njegovim metodama dokazano je da je povećana temperatura u atmosferi posljedica ljudske emisije ugljičnog dioksida.

Prije dvjesto godina francuski fizičar Joseph Fourier proučavao je ravnotežu između dolaznog zračenja sa Sunca i odlaznog zračenja sa Zemlje. On je razumio ulogu atmosfere u toj ravnoteži; dolazno kratkovalno zračenje transformira se u odlazno dugovalno (infracrveno), koje se apsorbira u atmosferi i tako nas grije kao u stakleniku. Efekt staklenika bitan je za život na našem planetu jer staklenički plinovi (ugljični dioksid, metan, vodena para i još neki) prvo apsorbiraju infracrveno zračenje sa Zemlje i onda ispuštaju apsorbiranu energiju, grijući tako okolinu i tlo ispod. Staklenički plinovi čine vrlo malen udio u Zemljinoj suhoj atmosferi, u kojoj su kisik i dušik 99% volumena. Ugljični dioksid je samo 0,04% volumena, a najjači je staklenički plin voda, ali njezinu koncentraciju ne možemo kontrolirati, dok koncentraciju ugljičnog dioksida možemo. Količina vodene pare u atmosferi jako ovisi o temperaturi, što dovodi do mehanizma povrata. Više ugljičnog dioksida u atmosferi čini atmosferu toplijom, dopuštajući zadržavanje veće količine vodene pare u zraku, što povećava učinak staklenika i dodatno povećava temperaturu. Ako razina ugljičnog dioksida padne, dio će se vodene pare kondenzirati i temperatura će pasti.

Oko 1980. Giorgio Parisi otkrio je skrivene uzorke u neurednim složenim materijalima. Njegova su otkrića jedan od najvažnijih doprinosa teoriji složenih sustava. Omogućuju razumijevanje i opisivanje različitih i naizgled sasvim slučajnih složenih materijala i fenomena, ne samo u fizici nego i u drugim, vrlo različitim područjima, poput matematike, biologije, neuroznanosti i strojnog učenja. Zaključno, kompleksni su sustavi zanimljivi za proučavanje jer su često više od zbroja svojih sastavnih dijelova, kao što je i čovjek više od nakupine atoma.