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Center for Complex systems, University of Insubria

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LìARGOMENTO DELLA SERATA - il caos

Nel linguaggio comune il caos viene associato ad avvenimenti disordinati, incontrollati, che procedono in maniera confusa senza alcuna regola o logica apparenti: crolli in borsa, rivoluzioni, epidemie.

L’opposto di quello che comunemente viene inteso come scienza, dalla quale ci si aspetta la capacita’ di mettere ordine e di predire, in maniera più o meno accurata, l’evolversi dei fenomeni naturali, ma anche di quelli economici, sociali e cosi’ via.

Questo atteggiamento ha radici profonde che risalgono agli albori del pensiero scientifico. L’uomo primitivo percepiva il mondo come totalmente  disordinato. Si pensava che i fenomeni naturali fossero controllati da spiriti che si comportavano in modo incomprensibile.

Secondo Platone un essere divino ha portato dal disordine all'ordine ed ha instaurato il regno delle forme e delle proporzioni geometriche. 

Successivamente  l'osservazione della regolarità del moto

del sole e dei pianeti, l'avvicendarsi regolare delle stagioni, ha  introdotto nell'uomo la nozione di predicibilità ed ordine.

 

Lo sviluppo di questo concetto ha portato l'uomo a credere in un Universo completamente ordinato e predicibile.

 

Il mondo e' matematicamente ordinato ed e‘ compito degli uomini di scienza scoprire le leggi che lo regolano.

 Mileto, Talete, Anassimandro, Democrito, Platone, Arisotele   

Galileo, Newton  :  nasce la scienza moderna                                                                          

Passato e futuro sono determinati in modo univoco dallo stato presente 

A poco a poco si è fatta strada la convinzione illuministica che l’uomo è in grado, almeno in linea di principio, di prevedere  e magari controllare lo sviluppo degli eventi futuri

Tuttavia alcune scoperte del secolo scorso hanno gettato ombre su questo quadro ottimistico e hanno minato alle fondamenta un’illusione che durava da più di tre secoli. Due eventi importanti:

 

                           scoperta del:  caos deterministico

                                               meccanica quantistica

Il caos deterministico

l’esistenza del “caos deterministico può sembrare un fatto contraddittorio.  In realtà, questa apparente contraddizione , nasce dalle barriere psicologiche dovute a secoli di tradizione che hanno considerato determinismo e caos come concetti contrapposti.  Leggi deterministiche anche semplici, possono dar  luogo ad un comportamento talmente complesso da apparire indistinguibile da uno casuale. 

Difficoltà di previsione - Il determinismo genera il caos

Il determinismo e’ una illusione dovuta a Laplace. H. Poincare   

La vera logica di questo mondo e’ il calcolo delle probabilità.  J. C.

Quale utilità può portare il sapere che il comportamento della gran parte dei sistemi deterministici è in realtà così complicato da apparire completamente caotico e che quindi essi si sottraggono alla nostra capacità di previsione?

Il caos e’ strutturalmente stabile   L’ordine e’ strutturalmente instabile 

Se i fenomeni non fossero caotici non si potrebbero fare previsioni

Il passaggio dall’ordine al caos è regolato da proprietà universali ed è in particolare associato ai numeri che Platone aveva condannato come irrazionali.   La sezione aurea controlla la transizione dall’ordine al caos

La finanza e l’economia sono sistemi complessi. Un piccolo cambiamento iniziale può portare a risultati molto diversi

 

Una lezione importante:

disposizioni complicate e decisioni politiche apparentemente corrette volte a cercare una situazione di equilibrio sono destinate a fallire!  - Occorre introdurre regole generali che sono stabili rispetto ad eventi non prevedibili.

Nel passato si è sempre pensato che leggi semplici dovessero dar luogo a comportamenti semplici e che fenomeni complessi dovessero essere regolati da leggi complicate.

 

Ora sappiamo che questo non è vero!

Un’altra lezione importante e’ che variazioni piccole nei parametri non portano, necessariamente, a variazioni piccole nei “risultati”, cioè nella evoluzione futura. Per esempio un aumento del 5% nell’inquinamento non porta ad un peggioramento del 5% nel danno ecologico. Cosi’ una variazione del 5% nelle tasse o nei costi rispetto alla evoluzione economica.

Le leggi del caos sono universali.

 

Ciò consente di comprendere fenomeni che una volta si ritenevano inspiegabili.  In passato si riteneva che i fenomeni biologici, economici ecc. fossero troppo complicati e perciò impossibili da descrivere utilizzando modelli semplici.

Fino a 30 anni fa la presenza di fluttuazioni disordinate, imprevedibili, caotiche, veniva attribuita a cause esterne o patologiche, eccezionali, normalmente assenti; in medicina, ad esempio, si ipotizzavano errori nella recessione del numero di casi di una malattia, crisi epilettiche, aritmie cardiache,  e così via.

Da circa 30 anni si è cominciato a pensare che queste variazioni "caotiche" possono essere inerenti ai sistemi, ovvero contenute nei modelli teorici deterministici che descrivono l'evoluzione dei sistemi stessi.

 

Questo nuovo modo di pensare ha portato a risultati insospettati.

Si sono compiuti esperimenti per caratterizzare la complessità dinamica  di un encefalogramma, registrando l'attività cerebrale di soggetti umani mentre affrontano determinati problemi.

 

E' stato scoperto che questa  complessità si modifica in funzione dell'attività cognitiva e che le  forme più complesse degli EEG corrispondono agli stati mentali di maggior  stato di allerta. Si e' osservato che gli elettrocardiogrammi di soggetti sani presentano delle irregolarità su scale che vanno da qualche secondo a qualche giorno mentre quelli dei pazienti malati presentano uno spettro molto più piatto.  Il ritmo cardiaco si deve infatti adeguare alle attività dell' organismo (respirazione,  attività mentale, ecc.); ma in alcune malattie il cuore perde  questa capacita' di adattamento e perciò presenta un ritmo estremamente periodico e regolare.  Secondo esperti della Harvard Medical School il caos procura al corpo umano una flessibilità che gli permette di rispondere a stimoli diversi. Transizioni di fase e formazione di strutture.

Il caos può avere un comportamento molto ricco e, in alcune circostanze dare origine a strutture su larga scala. Fenomeni cooperativi e di auto-organizzazione. “Coloro che ancora aderivano al vecchio credo ebbero timore di  essere gli unici a rimanervi fedeli e, poiché temevano più l’isolamento che l’errore, si associarono alla moltitudine degli altri, pur senza mutare il loro pensiero”

 

I nuovi orizzonti della ricerca   La sfida della complessità

 

E‘ necessario risolvere le grandi sfide della globalizzazione civilizzata, di crescente complessità.  internet - mobilità - salute stock market.

Un sistema complesso e’ un qualunque sistema costituito da un grande numero di elementi eterogenei nel quale la interazione locale tra questi elementi crea una struttura collettiva a molti livelli.

Esempi sono i sistemi naturali, che vanno dalle biomolecole e cellule viventi ai sistemi sociali umani  alla ecosfera così come a sofisticati sistemi artificiali come internet.

I networks rappresentano la struttura portante  di molti sistemi. Il  loro studio rende possibile fare progressi in molti campi: sociologia (social networks),  economia,  finanza,  biologia, trasporti, reti di energia,  neural network, world wide web....  Essenziale e’ la topologia: quali elementi sono connessi? Perché la loro anatomia è così importante?

Perché la struttura influenza le funzioni .  La topologia dei social network influenza la diffusione dell'informazione. La topologia di una rete per distribuire energia influenza la robustezza e la stabilità della trasmissione di potenza.

Conoscenza trasferibile a sistemi diversi: fisici, biologici, sociali, economici,.....

Il cancro e’ una malattia complessa che dipende da molti fenomeni interconnessi che consentono alle celle tumorali di proliferare, vivere e muoversi. E’ un malfunzionamento della macchina biomolecolare  che porta alla crescita incontrollata  della popolazione di celle selezionata dalla pressione evolutiva che porta alla mortalita’.

Per capire la complessità di questa intricata interazione a livello cellulare e sub-cellulare sono necessari modelli matematici e statistici.

La scuola riunisce ricercatori di varie discipline per esplorare i diversi aspetti della sfida posta dal cancro “Una malattia del sistema”

Il cancro è stimato sarà nel 2030 causa di morte di una persona su quattro .  

Lo schema concettuale degli ultimi 20 anni è stato il paradigma delle cellule staminali del cancro. Secondo questa teoria, la massa tumorale sarebbe composta da un gran numero di cellule capaci di proliferare solo in maniera limitata e da una rara popolazione di cellule in grado di proliferare a lungo e mantenere il tumore. Queste ultime vengono dette cellule staminali tumorali e sono le protagoniste del cosiddetto "modello gerarchico" secondo cui sono proprio queste le uniche cellule in grado di dare tumore.

Recentissimi studi hanno messo in dubbio l’universalità di questo modello. Mentre il modello gerarchico rimane confermato per i tumori benigni, la dinamica della popolazione cellulare del cancro non obbedisce a questo schema gerarchico ma è meglio spiegata da un

modello darwiniano.

Il sistema economico attuale globalizzato e’ in forte analogia  con i sistemi biologici che si muovono in un ambiente in continua trasformazione.

A differenza di ciò che usualmente è presentato dalle teorie economiche standard, la stabilita’ a lungo termine e la competitività si ottengono attraverso la diversificazione e non la specializzazione. Solo la diversificazione e’ in grado di fornire la robustezza  e la flessibilità in rapporto alle innovazioni e ai cambiamenti dei competitori. Servono metriche non monetarie. La previsione della crescita economica e dello sviluppo affronta problematiche simili a quelle delle previsioni meteorologiche. Per fare predizioni economiche affidabili occorre un cambio di paradigma. 

Il punto e’ che non comprendiamo bene ne’ la salute ne’ la  malattia tranne che attraverso descrizioni vaghe ed incomplete

 

Attualmente la salute e’ definita principalmente attraverso lo stato dei  sistemi e degli organi individuali.

 

Ma cosa significa salute dal punto di vista della “sinfonia orchestrale” della dinamica degli organi sincronizzati dove ciascun organo ha le proprie scale temporali, e le proprie dinamiche temporali? Dove coppie di organi hanno diverse forme di comunicazione e dove le interazioni collettive  portano a un comportamento complesso che non e’ semplicemente la somma della dinamica dei singoli organi?

«La più grande sfida oggi, non solo nella biologia, nell’ecologia  ma  in  tutte le discipline  e’ la  accurata  e  completa  descrizione dei  sistemi complessi.»   Edward  Osborne Wilson 

Gli scienziati sino ad ora hanno cercato di rompere i sistemi per studiare tutte le loro parti.… Il prossimo passo e’ rimetterli assieme per catturare le proprietà chiave dell’intero insieme.

"Io so che la più parte degli uomini, anche coloro abituati a problemi della più grande complessità, possono raramente accettare anche la più semplice ed ovvia verità se essa è tale da obbligarli ad ammettere la falsità di conclusioni che essi hanno raggiunto magari con grande difficoltà, conclusioni che essi con gioia hanno spiegato ai loro colleghi, che essi hanno con soddisfazione insegnato ad altri, e che essi hanno intrecciato filo per filo nella fabbrica delle loro vite."      L. Tolstoy

   IL  PROBLEMA  ETICO     Il problema etico nasce dalle conseguenze che i risultati della scienza possono produrre nella società.

 

Nasce per la prima volta dalla Fisica con la bomba di Hiroshima, e il pericolo nucleare permane, anche se ora il dilemma etico nasce dalla nuova società informatica e dalla biologia.

 

Nei prossimi 20 anni ci possiamo aspettare progressi sostanziali. In particolare ci si può aspettare la convergenza tra nanotecnologie, biotecnologie, scienze cognitive e della informazione come la implementazione nel cervello di strumenti capaci di riparare malfunzionamenti ecc.

Le capacita’ dell’uomo  possono essere aumentate in modo significativo sia in termini di capacita’ fisiche attraverso impianti per vedere o sentire meglio, sia in termini di capacita’  cognitive attraverso la manipolazione del cervello con droghe o l’invenzione di sofisticate interfacce uomo/macchina per aumentare la capacità di memoria.

 

Nel programma NBIC (nanotachnology, biotechnology, Information and cognitive science), il progetto e’ di imitare la natura, possibilmente di migliorarla, e questo può offuscare la distinzione tra naturale ed artificiale che e’ la radice della distinzione su cui si fondano i nostri valori culturali e morali.

Occorre guardarsi dalla tentazione di controllare (gli aspetti negativi) di questi fenomeni con provvedimenti autoritari. E’ vana speranza.

Occorre invece cercare di capirli, interpretarli, trovare contrappesi, e lavorare per un nuovo umanesimo scientifico. E’ necessaria una educazione scientifica per tutti,  in modo che ciascuna persona possa comprendere l’informazione scientifica cosi’ come e’ in grado di leggere e scrivere.

 

 

Il sistema educativo formale impone una scelta ai giovani studenti (scienza piuttosto che arti). Questo dovrebbe essere cambiato a favore di un approccio più aperto ad una educazione generale.

La scienza e’ parte della nostra cultura cosi’ come lo sono le arti, la musica la letteratura.

" La scienza e' una avventura dell'intera razza umana per imparare a vivere e, forse, ad amare l' Universo in cui essa vive.

 

Io propongo che la scienza sia insegnata, a qualunque livello, dal più basso al più alto, in modo umanistico.

 

Dovrebbe essere insegnata con una certa comprensione storica, con una certa comprensione filosofica, con una certa comprensione sociale ed umana, nel senso della biografia e della natura delle persone che l' hanno costruita, i loro trionfi, i tentativi, le sofferenze...“

     I. Rabi     (Premio Nobel per la fisica)