La teoria del caos si riferisce al comportamento di alcuni sistemi di movimento, come le correnti oceaniche o la crescita della popolazione, per essere particolarmente sensibili a piccoli cambiamenti nelle condizioni di partenza che si traducono in risultati drasticamente diversi. A differenza di quanto implica colloquialmente, la teoria del caos non significa che il mondo sia metaforicamente caotico, né si riferisce all’entropia, per cui i sistemi tendono naturalmente al disordine. La teoria del caos si basa sull’incertezza inerente alle misurazioni, sulla precisione delle previsioni e sul comportamento non lineare di sistemi apparentemente lineari.
Prima della meccanica quantistica, la teoria del caos è stata la prima idea “strana” della fisica. Nel 1900, Henri Poincaré pensò alla relazione tra i valori in diversi punti temporali di un sistema il cui comportamento generale poteva essere previsto con precisione, come un pianeta in orbita. Si rese conto che una misura, come la posizione, la velocità o il tempo, non può mai essere esattamente individuata perché ogni strumento che potrebbe essere sviluppato avrebbe un limite alla sua sensibilità. Cioè, nessuna misurazione è infinitamente precisa.
Poincaré sapeva che il movimento è descritto in modo deterministico da una serie di equazioni che possono prevedere con precisione cose come dove finirà una palla se viene fatta rotolare giù da una rampa. Ha teorizzato, tuttavia, che una piccola differenza nelle condizioni iniziali, basata su variazioni quasi insignificanti in una misurazione come la massa, potrebbe portare a due risultati macroscopici completamente diversi in un lontano, lontano futuro. Questa teoria fu chiamata instabilità dinamica e in seguito gli scienziati confermarono la veridicità delle sue idee.
La teoria del caos, quindi, studia come i sistemi organizzati e stabili non possano sempre fornire previsioni significative per un tempo molto successivo, anche se il comportamento a breve termine segue più da vicino le aspettative. In effetti, qualsiasi previsione che produce potrebbe essere così selvaggiamente divergente da non essere migliore delle ipotesi. È controintuitivo che un valore più preciso non produrrebbe un output più preciso.
L’effetto valanga di un minimo cambiamento in circostanze influenti è indicato come effetto farfalla. Questa metafora suggerisce che una farfalla che sbatte le ali, un’influenza quasi impercettibile, potrebbe contribuire allo sviluppo di un uragano dall’altra parte del globo. Edward Lorenz ha fatto le prime simulazioni al computer negli anni ‘1960 che hanno dimostrato l’instabilità dinamica con equazioni e dati reali.
Le condizioni iniziali non possono essere dedotte dalle condizioni successive, né viceversa, in diversi sistemi importanti, come la pressione atmosferica e le correnti oceaniche che contribuiscono al tempo e al clima. Questo non è semplicemente uno scenario di vita reale, risultante da qualcosa come troppo pochi termometri nell’oceano. La teoria del caos è una teoria verificabile e matematicamente coerente che mostra che a volte misurazioni sempre più precise inserite in equazioni non producono previsioni sempre più precise, ma piuttosto valori divergenti così estremi da essere praticamente inutili.
Alcuni fisici stanno lavorando sulle connessioni tra questa apparente casualità e la struttura su larga scala. Stanno studiando i modelli del clima globale, la distribuzione di massa delle galassie nei superammassi e la variazione della popolazione su una scala temporale geologica. Essi ipotizzano che, a livello macroscopico, certi tipi di organizzazione e consistenza siano stati possibili solo attraverso il disordine e l’incoerenza della teoria del caos.