Die Chaostheorie bezieht sich auf das Verhalten bestimmter Bewegungssysteme wie Meeresströmungen oder Bevölkerungswachstum, die besonders empfindlich auf winzige Änderungen der Ausgangsbedingungen reagieren, die zu drastisch unterschiedlichen Ergebnissen führen. Anders als es umgangssprachlich impliziert, bedeutet die Chaostheorie weder, dass die Welt metaphorisch chaotisch ist, noch bezieht sie sich auf die Entropie, durch die Systeme von Natur aus zu Unordnung neigen. Die Chaostheorie beruht auf der Messunsicherheit, der Präzision von Vorhersagen und dem nichtlinearen Verhalten scheinbar linearer Systeme.
Vor der Quantenmechanik war die Chaostheorie die erste „seltsame“ Idee der Physik. Im Jahr 1900 dachte Henri Poincaré über die Beziehung zwischen Werten zu verschiedenen Zeitpunkten eines Systems nach, dessen allgemeines Verhalten genau vorhergesagt werden konnte, wie beispielsweise ein Planet im Orbit. Er erkannte, dass eine Messung wie Position, Geschwindigkeit oder Zeit nie genau bestimmt werden kann, da jedes Instrument, das möglicherweise entwickelt werden könnte, eine Grenze in seiner Empfindlichkeit hat. Das heißt, keine Messung ist unendlich genau.
Poincaré wusste, dass Bewegung deterministisch durch eine Reihe von Gleichungen beschrieben wird, die genau vorhersagen können, wo ein Ball landet, wenn er eine Rampe hinunterrollt. Er stellte jedoch die Theorie auf, dass ein winziger Unterschied in den Anfangsbedingungen, der auf fast unbedeutenden Variationen in einer Messung wie der Masse beruht, weit, weit in der Zukunft zu zwei völlig unterschiedlichen makroskopischen Ergebnissen führen könnte. Diese Theorie wurde dynamische Instabilität genannt, und spätere Wissenschaftler bestätigten die Richtigkeit seiner Ideen.
Die Chaostheorie untersucht daher, wie organisierte, stabile Systeme nicht immer aussagekräftige Vorhersagen für einen viel späteren Zeitpunkt liefern können, obwohl das kurzfristige Verhalten eher den Erwartungen folgt. Tatsächlich können alle Vorhersagen, die es liefert, so stark voneinander abweichen, dass sie nicht besser als Vermutungen sind. Es ist kontraintuitiv, dass ein genauerer Wert keine genauere Ausgabe ergeben würde.
Der Schneeballeffekt einer winzigen Änderung einflussreicher Umstände wird als Schmetterlingseffekt bezeichnet. Diese Metapher legt nahe, dass ein Schmetterling, der mit den Flügeln schlägt, ein fast unmerklicher Einfluss, zur Entstehung eines Hurrikans auf der anderen Seite der Welt beitragen könnte. Edward Lorenz führte in den 1960er Jahren die ersten Computersimulationen durch, die dynamische Instabilität mit tatsächlichen Gleichungen und Daten demonstrierten.
In einigen wichtigen Systemen, wie dem atmosphärischen Druck und den Meeresströmungen, die zu Wetter und Klima beitragen, können die Anfangsbedingungen nicht aus späteren Bedingungen abgeleitet werden und auch nicht umgekehrt. Dies ist nicht nur ein reales Szenario, das aus so etwas wie zu wenigen Thermometern im Meer resultiert. Die Chaostheorie ist eine überprüfbare, mathematisch konsistente Theorie, die zeigt, dass manchmal immer genauere Messungen, die in Gleichungen eingesteckt werden, keine immer genaueren Vorhersagen liefern, sondern so extrem abweichende Werte, dass sie praktisch nutzlos sind.
Einige Physiker arbeiten an Zusammenhängen zwischen dieser scheinbaren Zufälligkeit und der großräumigen Struktur. Sie untersuchen Muster des globalen Klimas, die Massenverteilung von Galaxien in Superhaufen und die Populationsvariation auf einer geologischen Zeitskala. Sie stellen die Hypothese auf, dass auf makroskopischer Ebene bestimmte Arten von Organisation und Konsistenz nur durch die Unordnung und Inkonsistenz der Chaostheorie möglich wurden.