Elemente ale teoriei complexitatii

Elemente ale teoriei complexitatii

Niveluri de organizare a materiei

Dupa cum este cunoscut, Universul reprezinta o serie de "niveluri de organizare" ale materiei, cu caracteristici specifie, aorecum autonome. Principalele niveluri de organizare ale materiei sunt cele ale (i) roiurilor galactice, (ii) galaxiilor, (iii) sistemelor stelare, (iv) planetelor, (v) macro-scopic (al sistemelor cu dimensiuni de ordinal metrilor), (vi) molecular, (vii) atomic, (viii) nuclear (~ 10m), (ix) particulelor elementare (10 . 10 m), (x) particulelor sub-elementare (cuarcii, <10 m), (xi) materiei vii (superior organizate).

Inca din Antichitate, oamenii de stiinta au fost permanent in cautarea unor particule "elementare", din care sa fie formate toate sistemele fizice. Astfel, unii invatati greci antici au presupus existenta unor asemenea particule, pe care le-au numit "atomi" (care nu pot fi despicate). La inceputul secolului al XX-lea s-a dovedit existenta moleculelor si atomilor (J.Perrin, Svedberg, 1906-1908), dar - imediat dupa aceasta - experientele de imprastiere a particulelor α (E. Rutherford, 1911) au dovedit existenta nucleelor atomice.

La scurt timp dupa aceasta, au fost descoperiti    protonii si (apoi) neutronii (J.Chadwick, 1932), in acelasi an fiind emisa (de catre W.Heisenberg) ipoteza (verificata experimental ulterior) conform careia nucleele aromice sunt formate din protoni si neutroni.

A urmat un interval de peste 30 ani (pana in 1964), cand s-a considerat ca protonii, neutronii, electronii si particulele "stranii" (descoperite dupa 1934, prin interactiunea radiatiilor cosmice cu paturile inalte ale atmosferei terestre) sunt particule "elementare". A urmat .. descoperirea cuarcilor.

Constituenti de baza ai materiei, indici si interactiuni fundamentale

Conform rezultatelor recente ale cosmologiei, Universul este format din : ~5% neutrino grei, ~5% hadroni (protoni, mezoni, rezonante) [toti acestia fiind particule de substanta, cu spin multiplu impar de 1/2 (deci fermioni)], ~20% gauri "negre" (black holes) si ~70% camp "negru"(black energy, de natura necunoscuta).

In prima parte a secolului al XX-lea s-a considerat ca hidronii [barioni(in particular, protoni, neutroni), mezonii si rezonantele] sunt particule elementare (fara componenti interni).

Pentru a explica interactiunile "tari" (dintre particulele constituente ale nucleului atomic), Murray Gell-Mann si (independent) George Zweig au enuntat in 1964 ipoteza ca toti hidronii (dimensiuni de ordinal de marime al 10m) sunt compusi din particule mai mici: cuarci si anticuarcii (dimensiuni <10m), hadronii nefiind astfel . particule "elementare"!

Ipoteza anterioara a fost confirmata de rezultatele experimentale obtinute in 1968 la Standford Linear Accelerator Center (SLAC), apoi in 1974 la SLAC si - independent- la Brookhaven National Laboratory, care au demonstrat existenta mai multor tipuri de cuarci (si anticuarci)[2]. Analiza acestor rezultate experimentalea evidentiat si faptul ca "sarcina electrica "elementara" (e) nu este . elementara, deoarece sarcinile electrice ale cuarcilor sunt egale cu si - respectiv - cu -!

Toate aceste rezultate arata complexitatea lumii fizice pentru care se poate considera ca - incepand din aceasta perioada cercetarea stiintifica mondiala a intrat in epoca complexitatii.

Constituenti de baza ai substantei, interactiunile fundamentale si particulele de camp corespunzatoare sunt prezentate in diagrama 1. Masele relative (fata de masa de repaus a electonului) ale constituentilor de baza ai materiei sunt indicatein paranteze. Diagrama 1 evidentiaza si inaltul grad de organizare al sistemelor fizice, inclusive la nivelul constituentilor de baza ai materiei.

Figura 1 indica pricipalele caracteristici ale celor patru interactiuni fundamentale.

Cu toate ca au fost depuse eforturi cu totul deosebite pentru a realize o teorie unificata a interactiunilor fundamentale (GUT, incluiv de catre Albert Einstein, in ultimele sale decenii de activitate), acest lucru nu a reusit (cel putin deocamdata) deoarece interactiunea gravitationala . "refuza sa se alinieze" cu celelalte trei tipuri de interactiuni fundamentale!

In schimb a reusit unifiacarea conceptelor de baza ale sistemelor complexe de diferite tipuri: din fizica-chimie, din bilologie, informatica, stiinte sociale, stiinte economice etc.

Prin faptul ca notiunile de baza ale teoriei complexitatii sunt commune pentru sisteme de natuiri extreme de deosebite (pornind de la cele fizico-chimice, pana la cele informatice, al stiintele economice, stiintele sociale, lingvisticii etc.), diagrama 2 evidentiaza si universalitatea respectivelor notiuni si legi de interconexiune. Existenta unei universalitat a notiunilor si legilor de baza ale Teoriei complexitatii impune o prioritate a abordarilor numerice (adimensionale), fapt care explica rezultatele importante obtinute in acest domeniu de Teoria similitudinii fizice, Fizica numerica si Fizica asistata de calculator (Computational Physics).

Elemente ale evolutiei teoriei complexitatii

Diagrama 3 indica principalele rezultate si dificultati ale Fizicii din ultimele doua secole.

Se constata ca fizica a obtinut rezultate deosebit de importante, fara a intampina dificultati deosebite atata vreme cat a studiat sisteme si evolutii simple, respective complicate, indeosebi in intervalul 1935-1965, numit si    "perioada eroica a dezvoltarii mecanicii cuantice si fizicii nucleare". Avansul (indeosebi in aplicatii tehnice) fizicii a fost incetinit abia atunci cand stiinta moderna a suferit impactul cu "aisbergul" sistemelor si proceselor complexe, care a "blocat" pe moment posibilitatea descrierii analitice complete a fenomenelor din:

a)      supraconductoarele cu temperature critice inalte (amanand - cu cel putin cateva decenii - aplicatiile tehnice de anvergura ale acestor supraconductoare),

b)      curgerile turbulente, inlcusiv a proceselor corespunzatoare din plasma termonucleara (fapt care contribuie de asemenea la intarzierea intrarii in functiune a unor reactoare de fuziune termo-nucleara controlaata) etc.

Desigur, probleme privind descriere unor procese complexe au fost intalnite inca din Antichitate si Evul Mediu, fapt care a condus la aparitia unor elemente ale teoriei similitudiii fizice inca de atunci (de exemplu: a) criteriul de similitudine al lui Arhimede intervenind in descrierea unor amestecuri de fluide, respectiv a unor fluide cu incluziuni, b) formularea de catre Newton a primei teoreme a similiudinii fizice etc., dar o abordare si utilizare sistematica a teoriei similitudinii fizice s-a produs abia in secolele XIX-XX, indeosebi in domeniile hidraulicii si -respectiv- termotehnicii.)

Se pare ca prima evidentiere clara a uiversalitatii unor notiuni si legi a fost realizata inca din anii 1937-1938 de catre eminetul fizician Ettre Majorana (1906-1938, cu rezultate ramase in istoria fizicii in domeniul interactiunilor nucleare), prin lucrarea [9] (publicata postum) prin care afirma existenta unor legi statistice (specifice formalismului cuantic) commune in fizica, stiintele economice si stiintele sociale.

Pornind de la expresia statistica a entropiei termodinamice dedusa de Ludwig Boltzmann, Claude Shannon si colab. (apoi Hincin, Kolmogorov si colab) au elaborat teoria matematica a informatiei, apoi - in baza studiului complexitatii semnalelor si (respective, a) algoritmilor de calcul - au pus bazele teoriei generale a complexitatii.