La teoría del caos se refiere al comportamiento de ciertos sistemas de movimiento, como las corrientes oceánicas o el crecimiento de la población, para ser especialmente sensibles a pequeños cambios en las condiciones iniciales que dan como resultado resultados drásticamente diferentes. A diferencia de lo que implica coloquialmente, la teoría del caos no significa que el mundo sea metafóricamente caótico, ni se refiere a la entropía, por la cual los sistemas tienden naturalmente al desorden. La teoría del caos se basa en la incertidumbre inherente a las mediciones, la precisión de las predicciones y el comportamiento no lineal de sistemas aparentemente lineales.
Antes de la mecánica cuántica, la teoría del caos fue la primera idea «extraña» de la física. En 1900, Henri Poincaré pensó en la relación entre los valores en diferentes puntos temporales de un sistema cuyo comportamiento general podría predecirse con precisión, como un planeta en órbita. Se dio cuenta de que una medida, como la posición, la velocidad o el tiempo, nunca se puede identificar con precisión porque cada instrumento que pudiera desarrollarse tendría un límite en su sensibilidad. Es decir, ninguna medición es infinitamente precisa.
Poincaré sabía que el movimiento se describe de manera determinista mediante una serie de ecuaciones que pueden predecir con precisión cosas como dónde terminará una pelota si se rueda por una rampa. Sin embargo, teorizó que una pequeña diferencia en las condiciones iniciales, basada en variaciones casi insignificantes en una medida como la masa, podría resultar en dos resultados macroscópicos completamente diferentes en el futuro. Esta teoría se denominó inestabilidad dinámica, y los científicos posteriores confirmaron la veracidad de sus ideas.
La teoría del caos, por lo tanto, estudia cómo los sistemas organizados y estables no siempre pueden producir predicciones significativas para un tiempo mucho más tarde, aunque el comportamiento a corto plazo sigue más de cerca las expectativas. De hecho, cualquier predicción que arroje podría ser tan tremendamente divergente que no son mejores que conjeturas. Es contradictorio que un valor más preciso no produzca una salida más precisa.
El efecto bola de nieve de un cambio mínimo en circunstancias influyentes se conoce como efecto mariposa. Esta metáfora sugiere que una mariposa batiendo sus alas, una influencia casi imperceptible, podría contribuir al desarrollo de un huracán en el otro lado del globo. Edward Lorenz hizo las primeras simulaciones por computadora en la década de 1960 que demostraron inestabilidad dinámica con ecuaciones y datos reales.
Las condiciones iniciales no se pueden inferir de condiciones posteriores, ni viceversa, en varios sistemas importantes, como la presión atmosférica y las corrientes oceánicas que contribuyen al clima y al clima. Este no es simplemente un escenario de la vida real, resultado de algo así como muy pocos termómetros en el océano. La teoría del caos es una teoría verificable y matemáticamente consistente que muestra que, a veces, las mediciones cada vez más precisas conectadas a ecuaciones no producen predicciones cada vez más precisas, sino valores tan extremos que divergen en la práctica.
Algunos físicos están trabajando en las conexiones entre esta aparente aleatoriedad y la estructura a gran escala. Están investigando patrones en el clima global, distribución masiva de galaxias en supercúmulos y variación de la población en una escala de tiempo geológico. Ellos plantean la hipótesis de que, a nivel macroscópico, ciertos tipos de organización y consistencia solo han sido posibles a través del desorden y la inconsistencia de la teoría del caos.