Μια από τις πιο ενδιφέρουσες τάσεις της σύγχρονης Φυσικής έχει προκύψει από την αναγνώριση ότι χωρίς να καταρριφθεί ο δεύτερος Θερμοδυναμικός νόμος νέες μορφές τάξης μπορούν να εμφανιστούν στο Σύμπαν από μόνες τους. Το γεγονός ότι η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν κατανέμονται σε συμπυκνώματα μάλλον και δεν βρίσκονται σε συνεχή κατανομή βάζει τις προϋποθέσεις που επιτρέπουν σε νέες δομές να εμφανιστούν, τόσο στο Σύμπαν όσο και στη Γη στην καθημερινή μας ζωή.

Σκεφθείτε την εξέλιξη της ζωής στη Γη. Αρχίζοντας από λίγες απλές χημικές ενώσεις, σήμερα υπάρχει ένας πλούτος βιολογικών υπάρξεων υπό μορφή φυτών και ζώων. Πως εμείς και καθετί γύρω μας εξελίσσεται στο χρόνο και γίνεται όλο και πιο πολύπλοκο αφού υπάρχει αυτός ο δρόμος προς την αταξία;

Τάξη μέσα από το Χάος.
Συχνά αναφερόμαστε σε πράγματα που μοιάζουν να συμπεριφέρονται απρόβλεπτα με τη λέξη χαοτικά. Με κάποιο αντικείμενο τόσο κανονικό όπως ένα ταλαντούμενο εκκρεμές είναι μάλλον απλό να προβλέψουμε την εξέλιξη της κίνησής του. Αν τώρα συνδέσετε δύο εκκρεμή το ένα κάτω από το άλλο και θέσετε το ένα σε ταλάντωση, αρχίζει επίσης να κινείται και το άλλο. Αλλά τώρα είναι λιγότερο εύκολο να προβλέψουμε την κίνηση κάθε εκκρεμούς. Το πρόβλημα είναι ότι η κίνηση του καθενός εξαρτάται εν μέρει από το τι κάνει το άλλο εκκρεμές εκείνη τη στιγμή.

Υπάρχει πληθώρα παραδειγμάτων συστημάτων του φυσικού κόσμου των οποίων η μελλοντική συμπεριφορά είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί. Ένα από τα καλλίτερα παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι η παγκόσμια κυκλοφορία των αερίων μαζών της ατμόσφαιρας που δημιουργεί τον καιρό.

Περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση μεγάλου αριθμού διαφορετικών παραγόντων και το αν θα χιονίζει ή όχι την ημέρα των Χριστουγέννων μπορεί να εξαρτάται από μια μικρή μεταβολή σε έναν από αυτούς τους παράγοντες. Το παράδειγμα που αναφέρεται συχνά, μιας πεταλούδας που χτυπάει τα φτερά της σ' ένα μέρος του πλανήτη και μπορεί να προκαλέσει ένα τυφώνα σ' ένα άλλο μέρος του πλανήτη, είναι ένα ακραίο παράδειγμα αυτού του τύπου.

Ένας περίπλοκος κόσμος.
Αν και πολλά συστήματα στη φύση παρουσιάζουν φαινομενικά απρόβλεπτη συμπεριφορά, τα ίδια μπορούν επίσης να δείξουν αξιοσημείωτα επίπεδα αυτοοργάνωσης, όπως ακριβώς μπορεί και ένα πλήθος από ανθρώπους. Η ικανότητα για αυτοοργάνωση σ΄ένα σύστημα θεωρείται ότι είναι αποτέλεσμα της απίστευτα πολύπλοκης ανάδρασης μεταξύ των αντικειμένων που αποτελούν το σύστημα. Επειδή χρειάζεται ένα υψηλό επίπεδο ανάδρασης για να λάβει χώρα μια τέτοια αυτοοργάνωση, μερικά από τα πιο ενδιαφέροντα παραδείγματα πολύπλοκων συστημάτων, είναι αυτά που περιλαμβάνουν και τα ανθρώπινα όντα.

Τα συστήματα που έχουν τους ανθρώπους ως βασικά στοιχεία μπορούν να είναι τα πιο απρόβλεπτα απ' όλα. Ακόμη, επειδή διαθέτουμε κάποια μνήμη για το παρελθόν, και τείνουμε να παίρνουμε τις αποφάσεις μας στηριζόμενοι στις επιτυχίες του παρελθόντος, είναι πιθανόν ότι αυτή η ανάδραση θα έχει ως αποτέλεσμα αναγνωρίσιμες μορφές και κατά συνέπεια προβλεψιμότητα. Η μελέτη αυτών των μορφών είναι θεμελιώδες μέρος για την επιτυχή διαχείριση της κοινωνίας μας με τις υψηλές ταχύτητες και την υψηλή τεχνολογία.

Η κυκλοφορία σε έναν αυτοκινητόδρομο θα εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου σε μια κατάσταση όπου υπάρχουν κυκλοφοριακά μποτιλιαρίσματα, μικρά ή μεγάλα. Αυτή η κατάσταση είναι στην πραγματικότητα η πιο αποτελεσματική που μπορεί να συμβεί ώστε να διακινείται ο μεγαλύτερος αριθμός αυτοκινήτων στο μικρότερο δυνατό χρόνο. Το κυκλοφοριακό σύστημα εξελίσσεται στο χρόνο κατά τρόπο ώστε να παράγεται το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα για το σύστημα ως σύνολο, ακόμη και αν ο κάθε οδηγός ξεχωριστά δρα αυτόνομα. Αυτή η ιδέα της αυτοοργάνωσης σε κάποιο κρίσιμο αλλά ωστόσο αποτελεσματικό στάδιο όπου υπάρχουν διακυμάνσεις όλων των μεγεθών μπορεί να αποτελέσει μια καινούργια αρχή για την περιγραφή του πως εξελίσσεται το Σύμπαν χρονικά.

Μπουμ και κατάρευση
Ένα παράδειγμα συστήματος όπου όλα τα μέρη του συστήματος μπορούν να παρακολουθούν τα αποτελέσματα των επιλογών τους, προσφέρεται από τις παγκόσμιες χρηματαγορές. Οι επενδυτές στο Λονδίνο, τη Νέα Υόρκη, το Τόκυο και τα άλλα οικονομικά κέντρα αγοράζουν και πουλάνε νομίσματα ή μετοχές εταιριών ελπίζοντας στο κέρδος. Οι τιμές ανεβαίνουν όταν κυριαρχεί η ζήτηση και πέφτουν όταν δεν υπάρχει αγοραστικό ενδιαφέρον. Μερικές φορές οι τιμές ξεκινούν να ανεβαίνουν ή να πέφτουν πολύ απότομα και ξαφνικά. Αποκαλούμε αυτή την απότομη μεταβολή μπούμ ή κατάρρευση αντίστοιχα.

Όταν οι τιμές φαίνονται να φτάνουν στην κορυφή, οι επενδυτές βλέπουν την ευκαιρία αποκομιδής κερδών και αρχίζουν να πουλάνε. Αλλά όταν ο καθένας προσπαθεί να περάσει από τη θέση του αγοραστή στη θέση του πωλητή η τιμή πέφτει ξαφνικά και βυθίζεται, όπως συνέβη στη Μαύρη Τετάρτη τον Οκτώβριο του 1992. Το αποτέλεσμα που έρχεται όταν τα μέρη του συστήματος γνωρίζουν τις συνέπειες των προηγούμενων ενεργειών τους, είναι να δημιουργούνται δομές κατά τη χρονική εξέλιξη, τέτοιες ώστε ουδέποτε να φτάνουμε σε μια ισορροπία. Αντίθετα οι δομές αυτές ταλαντώνονται απρόβλεπτα από τη μια ακραία κατάσταση στην άλλη.

Παρ’ όλα αυτά πρόσφατες έρευνες των επιστημόνων υπαινίσσονται ότι σε ορισμένες χρονικές στιγμές, κυρίως πριν τις μεγάλες καταρρεύσεις, η ομαδική κίνηση όλων των επενδυτών ως αγέλη, μπορεί να προβλεφθεί αρκετά καλά. Οι φυσικοί αρχίζουν να εργάζονται στο πώς να κάνουμε καλύτερες προβλέψεις που λαμβάνουν υπ’ όψιν την επίδραση της μνήμης στα μέρη του συστήματος.

Ο καλύτερος τρόπος πρόβλεψης του μέλλοντος με βεβαιότητα θα ήταν να ταξιδέψουμε στο μέλλον και να δούμε τα γεγονότα από πρώτο χέρι. Αυτό μοιάζει με επιστημονική φαντασία, αλλά θα μείνει πάντα ως επιστημονική φαντασία; Θα δούμε τι λένε γι αυτό οι νόμοι της Φυσικής στο μάθημα 5.
Σχεδόν διακόσια χρόνια πριν ο Michael Faraday κέρδιζε την γενική εκτίμηση ως ο πατέρας του ηλεκτρισμού. Παρ’ όλα αυτά ο ίδιος δεν γνώριζε τη μικροσκοπική εξήγηση των φαινομένων που παρατηρούσε. Πράγματι, μόνο μετά από 100 χρόνια ο παράδοξος κβαντικός κόσμος των ηλεκτρονίων και των ατόμων άρχιζε ν’ αποκαλύπτεται. Στον κβαντικό κόσμο τα σωματίδια είναι κύματα και τα κύματα είναι σωματίδια. Αυτή η διαπίστωση ακούγεται απλή αλλά οι συνέπειές της είναι τελείως επαναστατικές και ακόμα είναι υπό συζήτηση. Είναι ακριβώς η συμπεριφορά του ηλεκτρονίου ως κύμα στους ημιαγωγούς που μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε τους ημιαγωγούς για να δημιουργήσουμε όλη την σημερινή υψηλή τεχνολογία πο βασίζεται στα μικρο-chips πυριτίου. Ως αποτέλεσμα μπορέσαμε να αναπτύξουμε πολύ γρήγορες ψηφιακές επικοινωνίες, επιτραπέζιους υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα και συσκευές αναπαραγωγής CD.