E. N. Lorenz (1917-2008)

 “El caos conduce a la vida y el orden, a lo habitual”

Catedrático Humboldt 2008 UCR

Jorge A. Amador Centro de Investigaciones Geofísicas y Escuela de Física, Universidad de Costa Rica

Las contribuciones de Descartes (1596-1650), Newton (1643-1727) y Leibnitz (1646-1717) fueron fundamentales para que la mecánica clásica se transformara en una teoría sólida y completa capaz de resolver sistemas de complejidad superior, ya que todo quedaba reducido a un problema matemático. La visión de la humanidad en ese momento, sobre la naturaleza, era la de un universo determinista, es decir, predecible si se tenía información sobre todas las fuerzas actuantes y las condiciones iniciales. El que describió mejor el determinismo fue tal vez Laplace (1749-1827), matemático y astrónomo francés, quién en 1820 argumentó que, si algún intelectual (llamado popularmente el Demonio de Laplace) pudiera conocer todas las posiciones y fuerzas de la naturaleza, podría leer el futuro tan fácilmente como el pasado.

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Este demonio fue utilizado para explicar por qué “el ruido o factores no conocidos” hacían difícil establecer los valores científicos verdaderos en sistemas complejos. Las revoluciones científicas surgidas a principios del S. XX y asociadas a la aparición de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica relegaron a la Física Clásica a un grado inferior, ya que la primera de ellas era aplicable a escalas macroscópicas y la segunda a lo muy pequeño, en tanto que la última, aunque seguía siendo válida para un gran rango de escalas, no era aplicable en esos extremos.

Un meteorólogo y matemático, Edward Norton Lorenz (1917-2008), cambió radicalmente esta visión de la Física Clásica en 1961, cuando era profesor e investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts (ITM). Lorenz, quién había escrito uno de los primeros modelos numéricos para simular el comportamiento de la atmósfera, al repetir uno de los experimentos, utilizó los datos del día anterior para inicializar el modelo, esperando obtener los mismos resultados; sin embargo, las soluciones numéricas divergieron rápidamente.

Teoría del Caos. La razón para esta divergencia fue identificada luego por Lorenz, ya que en el primer experimento había utilizado variables con una precisión de seis decimales, en tanto al repetir el experimento usó los valores impresos de esas variables que solo tenían tres decimales. ¡Aunque la diferencia entre los primeros y últimos valores para la inicialización del modelo era menor al 0,1%, las soluciones encontradas eran muy diferentes! Lorenz demostró que la predicción del tiempo meteorológico (y el clima, por supuesto) era muy sensible a pequeñas diferencias en las condiciones iniciales de los modelos, de manera que la predicción a muy largo plazo era un problema de complejidad superior. Nació así, de manera experimental, la Teoría del Caos.

Aunque este cuerpo teórico había sido ya reconocido por Poincaré (1854-1912) en 1890 en su estudio de tres o más cuerpos celestes, fue Lorenz quién hizo la demostración y el análisis que estableció la aplicabilidad universal de este concepto. Las ideas de Lorenz fueron publicadas en el Journal of Atmospheric Sciences (JAS) en 1963 en un trabajo denominado “Deterministic nonperiodic flow” [Flujo determinista no periódico]. La importancia de este descubrimiento es resumida de manera notable por Kerry Emanuel, profesor de ciencias atmosféricas en el ITM al decir que “al mostrar que ciertos sistemas deterministas tienen límites de predic- tabilidad formales, Lorenz puso el último clavo en el ataúd del universo cartesiano y fomentó lo que algunos han llamado la tercera revolución científica del siglo XX, pisándole los talones a la relatividad y la física cuántica”.

Efecto Mariposa. El Atractor Extraño de Lorenz (o más conocido como el Efecto Mariposa) es tal vez uno de los elementos que mejor caracterizan la contribución de Lorenz a la física y la matemática de los sistemas complejos. Este Atractor, una representación tridimensional de flujo caótico, fue el resultado de examinar un sistema de ecuaciones muy simplificado que simula la convección en rollos en la atmósfera superior y que cuando es graficado se parece a una mariposa. El caos no significa aleatoriedad, un sistema caótico es más bien determinista y no lineal. La pregunta ¿Provoca el batir de las alas de una mariposa en Brasil, un tornado en Texas?, atribuida a Lorenz, no es en realidad de su autoría, más bien el mismo Lorenz confirmó que, al no haber decidido un título para su conferencia en 1972 durante la 139.ª reunión de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, fue Phillip Merilees quien se lo puso.

La imagen del Atractor que tenía Lorenz era en realidad la de una gaviota, así que de no haber intervenido Merilees, posiblemente se estaría ahora hablando del Efecto Gaviota. En cualquier caso, se sabe que este “efecto” no puede producir “nada” ya que la diminuta energía cinética generada por el batir de las alas de una mariposa o una gaviota se disiparía rápidamente en la atmósfera. Este no el caso de los gases de efecto invernadero (radiativamente activos) y el problema actual del cambio climático. En 1967 publicó un extraordinario libro sobre su visión acerca de la teoría y naturaleza de la circulación general de la atmósfera y en 1975 amplió este tema a la predictabilidad climática, utilizando para ello conceptos de su teoría sobre el caos.

Su última publicación fue en el 2005 en el JAS sobre el diseño de modelos caóticos. “Cuando era niño, siempre estuve interesado en hacer cosas con números y también estaba fascinado con los cambios en el clima”, escribió Lorenz en su autobiografía. Lorenz recibió muchos reconocimientos por su contribución al desarrollo de esta teoría, entre ellos el Premio Crafoord en 1983 otorgado por la Real Academia Sueca de Ciencias a eminentes científicos cuyas disciplinas no corresponden a las clásicas del premio Nobel, y el Kioto en 1991, además de muchos otros honores.

Aplicación general. Desde la presentación de las primeras ideas sobre la Teoría del Caos, pasaron más de 10 años para que fuera aceptada por la comunidad científica internacional, pero cuando finalmente lo hizo se extendió rápidamente a muchos campos de la física, química, matemática (las ciencias frías) y a la ingeniería. Actualmente, muchas de las ciencias sociales (las ciencias cálidas) como la antropología, la sociología, la psicología y otras como la medicina y la economía se benefician de las ideas y herramientas desarrolladas en la Teoría del Caos.

La frase acuñada por ahí de que “el caos conduce a la vida y el orden, a lo habitual” refleja muy bien la profundidad de este concepto y permite no solo reconocer en Lorenz al padre de la Teoría del Caos, sino concederle el gran aporte que su teoría ha dado y puede dar a la transdiciplinariedad entre las ciencias frías y las cálidas, en el marco de las llamadas ciencias de la complejidad (las ciencias del orden y del desorden). Si hay algo de lo que se puede estar seguro en este mundo caótico, es que el trabajo de Lorenz y la Teoría del Caos llegaron en el siglo XX para romper las entrañas del demonio de Laplace.