Introducción |
1 | Un mundo lejano del equilibrio |
2 | Cinética de los procesos de alto grado de no-equilibrio |
3 | Correlación. Dinámica y estadística |
4 | Sistemas abiertos. Termodinámica de no-equilibrio |
5 | Autoorganización. Transiciones de fase de no-equilibrio |
6 | Teoría de las catástrofes |
7 | Bifurcaciones. Caos dinámico |
8 | Fuera del marco de la física |
9 | Características informativas de los sistemas lejanos del equilibrio |
10 | La ciencia como sistema abierto |
Conclusión |
Bibliografía |
Índice de materias |
Índice de autores |
Vivimos en un mundo muy complejo en el que todo está
interrelacionado, en un mundo de inestabilidad e
irreversibilidad, no-linealidad y retroalimentación, evolución y
catástrofes, caos y estructuras muy complejas, disipación y
autoorganización. En pocas palabras, el mundo que nos rodea está
lejos del equilibrio. Hasta hace poco, al investigar el mundo
partíamos de las propiedades de los sistemas próximos al estado
de equilibrio. Pero resultó que tal enfoque es muy limitado y
está lejos de corresponder al mundo que nos rodea. Y aquí el
problema radica en las bases mismas.
Un sistema que se encuentra cerca del equilibrio reacciona
unívocamente a una perturbación no muy fuerte, regresando al
estado de equilibrio. En este caso, las partículas que componen
el sistema sólo interaccionan a distancias pequeñas y "no saben"
nada sobre las que están suficientemente alejadas. En estas
condiciones resulta bastante adecuado el modelo de un
sistema cerrado (aislado), cuyo
estado de equilibrio termodinámico es el estado de caos máximo.
Sin embargo, todo cambia radicalmente si el sistema se aleja
mucho del estado de equilibrio. En este caso, el sistema se
puede tornar inestable y, entonces, el regreso al estado inicial
no es obligatorio. En cierto punto, denominado punto de bifurcación (ramificación), el
comportamiento del sistema deja de ser unívoco.
Además, si el sistema es inestable, se debe valorar de un modo totalmente
diferente el papel de las acciones externas. En determinadas circunstancias una
acción insignificante puede conducir a consecuencias considerables. Cuando las
condiciones son tales que acciones muy débiles pueden resultar esenciales, es
necesario desde un principio considerar sistemas abiertos, los cuales intercambian continuamente energía y
materia con el medio circundante.
En los sistemas abiertos, para los estados lejanos del estado de equilibrio
surge un efecto de coordinación, como si las partículas establecieran una
relación entre sí a distancias macroscópicas y en intervalos de tiempo
macroscópicos. Tal comportamiento coordinado (cooperativo) es característico de
los más diversos subsistemas de moléculas, células, neuronas, determinadas
especies, etcétera.
Como resultado de esta interacción coordinada de los subsistemas
tienen lugar procesos de ordenación: del caos surgen
determinadas estructuras que se transforman y se hacen más
complejas. Y cuanto mayor es la desviación respecto al estado de
equilibrio, tanto más amplias son las correlaciones y las
interrelaciones, tanto mayor es la integridad de los procesos,
incluso de los que transcurren en regiones alejadas y que a
primera vista no están relacionados uno con otro. Los procesos
que transcurren en sistemas lejanos del equilibrio se
caracterizan por la no-linealidad y las posibilidades
(relacionadas con la no-linealidad) de controlar el
comportamiento del sistema, así como por la presencia de
retroalimentación.
Como vemos, el estudio de los sistemas lejanos del equilibrio planteó ante la
física toda una serie de problemas fundamentales. Sin embargo, las teorías
entonces existentes no sólo no permitían el análisis práctico de este círculo
de fenómenos, sino que a veces se contradecían unas con otras.
En el siglo XIX ya se observaban dos contradicciones de carácter
general. Por una parte, la materia se desarrolla, se hace más
compleja, se autoorganiza (para los organismos vivos esto se
expresa en las leyes de la evolución biológica descubiertas por
Charles
Darwin). Por otra parte, conforme al segundo principio de la
termodinámica, todo sistema cerrado aislado tiende al
equilibrio. ?`Cómo hacer que convivan la inevitable destrucción
de las estructuras y su autoorganización?
La segunda contradicción está relacionada con la reversibilidad
de las ecuaciones fundamentales de la mecánica clásica y de la
mecánica cuántica respecto al tiempo, y con la irreversibilidad
real del mundo que observamos en nuestra experiencia cotidiana.
La teoría de los estados lejanos del
equilibrio,
llamada a solucionar el conjunto de problemas surgido, comenzó a
desarrollarse intensamente hace ya medio siglo, y surgió como
resultado de la síntesis de tres direcciones diferentes en las
investigaciones.
La primera dirección está relacionada con la elaboración de
métodos de descripción de los procesos de alto grado de
no-equilibrio mediante la física estadística. Para toda una
serie de estos procesos fueron creados modelos cinéticos, se
descubrieron las propiedades que caracterizan a los sistemas
lejanos del estado de equilibrio (el aumento del número de
parámetros necesarios para describir el proceso, la existencia
de correlaciones y fluctuaciones a gran escala) y se
establecieron las regularidades fundamentales de su transición
al estado de equilibrio.
En el marco de la segunda dirección, basada en el estudio de la
termodinámica de los sistemas abiertos, se examinaron estados
estacionarios que pueden conservar su estabilidad en un
determinado rango de condiciones externas, y se hallaron las
condiciones de
autoorganización, es decir, de surgimiento de estructuras
ordenadas a partir de estructuras desordenadas. Se demostró que
los procesos de disipación de energía son un elemento necesario
de la autoorganización; las estructuras que surgen de esta
manera recibieron el nombre de estructura
disipativa.
Partiendo del hecho de que en el proceso de autoorganización
interviene una multitud de objetos (subestructuras) y que su
desarrollo depende de la acción conjunta de estos últimos,
H.Haken denominó
sinergética a esta rama
de investigaciones científicas (del griego
"sinergéticos": que actúa en conjunto, coordinadamente).
Las bases de la tercera dirección son la
determinación de los cambios cualitativos de las soluciones de
las ecuaciones diferenciales no-lineales (que determinan los
estados lejanos del equilibrio) en función de los valores de los
parámetros que figuran en ellas. Este aparato matemático recibió
el nombre de teoría de
las catástrofes. Con ayuda de esta
teoría se describen las transformaciones cualitativas
(catástrofes) de la estructura general de las soluciones, se
determinan los límites de estabilidad y se analizan los cambios
de la estructura de los estados.
Como resultado de la síntesis de estas tres direcciones se consiguió formular
la idea general para la descripción de los estados lejanos del equilibrio.
A partir de esta idea se consiguió no sólo comprender o eliminar varias
contradicciones surgidas en la ciencia, sino también formular una estrategia
general para comprender todo un conjunto de fenómenos de la naturaleza y de la
sociedad. Así pues, surgió una nueva rama del saber, de gran importancia
científica. Sus conceptos y métodos se pueden aplicar adecuadamente en toda una
serie de ciencias concretas: física, química, biología, astronomía, ecología y
otras.
Nuestra exposición ulterior tratará sobre el afianzamiento y los
éxitos de esta nueva rama de la ciencia. A este campo lo
denominan de varias maneras: sinergética (destacando así el
carácter colectivo de la autoorganización), teoría de los
sistemas abiertos, teoría de las estructuras disipativas.
Existen denominaciones relacionadas con las propiedades de
irreversibilidad, inestabilidad y no-linealidad, pero éstas sólo
constituyen diferentes manifestaciones, aunque muy importantes,
de un mismo fenómeno: la lejanía del equilibrio.