Ο ρόλος των δομών διασκορπισμού και των διακλαδώσεων.

• Επιστροφή στην Εισαγωγή

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, σ' ένα απομονωμένο σύστημα (που δεν ανταλλάσσει δηλαδή ύλη και ενέργεια με το περιβάλλον του), η συνολική εντροπία αυξάνει προοδευτικά ενώ η ελεύθερη ενέργεια μειώνεται ώσπου το συστημα να φτασει στην κατασταση ισορροπιας, οπότε η εντροπία του αποκτά τη μέγιστη τιμή της. Στην κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας το σύστημα είναι ομοιογενές και αδρανές. Αν μάλιστα θεωρήσουμε, όπως έκανε ο Clausius, ολόκληρο το σύμπαν ως ένα απομονωμένο σύστημα γιγαντιαίων διαστάσεων, τότε, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, η προοδευτική υποβάθμιση της ενέργειας, δηλαδή η μεγιστοποίηση της εντροπίας, οδηγεί αναπόφευκτα στον «θερμικό θάνατο» του σύμπαντος.

Με τη θερμοδυναμική, την πρώτη πραγματικά πολύπλοκη επιστήμη, στο «άφθαρτο» και «αθάνατο» οικοδόμημα της νευτώνειας φυσικής παρεισφρύει ο χρόνος ως μη αντιστρεπτή εξέλιξη προς τη φθορά, την αταξία και το θάνατο. Ωστόσο, αυτή η πρώτη απαισιόδοξη εκδοχή του χρόνου που μας κληροδότησε η κλασική θερμοδυναμική αφορά μια ιδανική και αφυσικη κατηγορια συστηματων: τα απομονωμενα και κλειστά γραμμικά συστήματα.

Πώς να εξηγήσουμε όμως την «παράδοξη» συμπεριφορά των ανοιχτών συστημάτων; Τα συστήματα αυτά βρίσκονται μακριά από την κατάσταση ισορροπίας και ανταλλάσσουν αδιάκοπα ύλη και ενέργεια με το περιβάλλον τους. Δεν τείνουν προς μια κατάσταση ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας και μέγιστης εντροπίας, αλλά αντίθετα, εκμεταλλεύονται κάποιες ενεργειακές εισροές και διακυμάνσεις όχι μόνο για να διατηρούν τη δομική τους ευστάθεια αλλά και για να εξελίσσονται προς νέες δυναμικές καταστάσεις.

Τα ανοιχτά θερμοδυναμικά συστήματα δεν είναι η εξαίρεση αλλά ο κανόνας. Σε αυτά περιλαμβάνονται όχι μόνο οι ζωντανοί οργανισμοί, οι ανθρώπινες κοινωνίες, αλλά και το μεγαλύτερο μέρος των «απλούστερων» φυσικοχημικών συστημάτων. Στη μελέτη των ανοιχτών θερμοδυναμικών συστημάτων ο Ilya Prigozine είναι αναμφίβολα μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές αυθεντίες.

Πρώτος αυτός απέδειξε ότι σε συνθήκες μακριά απο τη θερμοδυναμική ισορροπία η ύλη αποκτά νέες απρόσμενες ιδιότητες, αυτοοργανώνεται και παράγει πολύπλοκες δομές από τυχαίες διακυμάνσεις.

Τις δομές αυτές θα τις ονομάσει dissipative structures, χρησιμοποιώντας ένα φαινομενικά οξύμωρο σχήμα. Ο όρος θα μπορούσε να αποδοθεί στα ελληνικά ως δομές διασποράς ή διασκορπισμού ή εκλυτογενείς ή ακόμη και καταναλωτικές δομές. Στην ουσία πρόκειται για συστήματα που καταναλώνουν ενέργεια. Οι δομές διασκορπισμού είναι καταστάσεις που αντανακλούν την αλληλεπίδρασή τους με το περιβάλλον, με το οποίο ανταλλάσσουν ενέργεια, διατηρούμενα μέσα από μια ατελείωτη δυναμική ροή.

Οι απλούστερες μορφές δομές διασκορπισμού είναι κάποια σχετικά απλά φυσικοχημικά συστήματα στα οποία ελάχιστες διαταραχές και διακυμάνσεις σε μικροσκοπική κλίμακα οδηγούν στην ανάδυση νέων απροσδόκητων μακροσκοπικών δομών .

Τα έμβια συστήματα είναι ανοικτά συστήματα, συμπλέγματα οργάνωσης τα οποία   απέχουν πολύ από την ισορροπία και ο Prigozine όπως είδαμε τα κατατάσει στις  "δομές διασκορπισμού" (dissipative structure). 

Ο Prigozine λέει ότι αυτές οι τυχαίες (μη προβλέψιμες) διαδικασίες φανερώνουν ότι τα ανοικτά συστήματα και επομένως το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντός μας δεν είναι μηχανιστικό αλλά τυχαίο. Ο ίδιος χρησιμοποιεί την ιδέα του τυχαίου αρκετά διαφορετικά από τον τρόπο με τον οποίο το κάνουν οι υπόλοιποι επιστήμονες. Για παράδειγμα, για τον Jacques Monod, συγγραφέα του βιβλίου Τύχη και Αναγκαιότητα, η τύχη συνεπάγεται έναν κόσμο που κυβερνάται τυφλά και υποδηλώνει ένα σύμπαν, που σύμφωνα με τους ανθρώπινους όρους στερείται νοήματος, δηλαδή βρίσκεται πολύ κοντά στον παράλογο κόσμο της υπαρξιστικής φιλοσοφίας, από την οποία ο Monod αντλεί τα επιχειρήματά του.

Ωστόσο, για τον Prigozine η τύχη είναι συνώνυμο του μη ντετερμινισμού, του αυθόρμητου, της καινοτομίας και της δημιουργικότητας. Το σύμπαν του Prigozine δεν απέχει πολύ από το να είναι έμβιος οργανισμός, ακριβώς γιατί έχει χώρο για την τυχαία συμπεριφορά.
'Ετσι, επιτρέπει στις δομές διασκορπισμού -που είναι οτιδήποτε- από ένα χημικό διάλυμα μέχρι ένα σύννεφο, έναν εγκέφαλο ή έναν άνθρωπο -να αναδημιουργήσουν τον εαυτό τους σύμφωνα με απρόβλεπτα πρότυπα. Αυτά τα καινούργια πρότυπα συχνά προκαλούνται από μικρές μεταβολές ή διαταράξεις, των οποίων η παρουσία μπορεί να αποσπάσει το όλο σύστημα μακριά από ένα είδος συμπεριφοράς προς ένα νέο και απρόβλεπτο και ως εκ τουτου να αψηφησει τοσο μια μηχανιστικη ερμηνεια της εντροπίας, όσο και μία συμβατική ανάγνωση του βέλους του χρόνου.

'Ετσι, οι δομές διασκορπισμού εισάγουν τη διαρκή δημιουργικότητα μέσα στη φύση. Ως αποτέλεσμα, η φύση δεν μπορεί πλέον να ειδωθεί ως κάτι στατικό, ως αδρανή μόρια που κυβερνώνται μόνο από ωθήσεις και έλξεις αλλά ως κάτι ενεργητικό και ζωντανό. Σε αυτά τα ανοικτά συστήματα ή ύλη δεν είναι απομονωμένη και μοναχική αλλά αντίθετα είναι ανταποκριτική, συσχετιστική και αυτοτροποποιούμενη σε σχέση με τις δραστηριότητες της υπόλοιπης ύλης.

Σε αυτά τα ανισόρροπα συστήματα, η ελάχιστη αλλαγή μπορεί να "αποσταθεροποιήσει" το σύστημα, και να επιφέρει ένα αποτέλεσμα που δεν είχε προβλεφθεί από τη λογική των γραμμικών εξισώσεων.

Παραδείγματα δομών διασκορπισμού

'Οπως αναφέραμε πριν, το παράδοξο του χρόνου αναφέρεται στο γεγονός πως οι κλασσικές εξισώσεις είναι αντιστρεπτές ως προς τον χρόνο και συγχρόνως πως από πλήθος φυσικών δεδομένων φαίνεται πως υπάρχει το βέλος του χρόνου.

Το κλειδί για την απάντηση στο παράδοξο αυτό του χρόνου εντοπιζόταν στην μελέτη συστημάτων , τα οποία βρίσκονται μακρυά από την ισορροπία. Σε τέτοια συστήματα είναι δυνατό να εμφανισθούν διαδικασίες αυτοοργάνωσης, καθώς και δομές διασκορπισμού (dissipative structures).

Για να κατανοήσουμε αυτήν την έννοια, ας αναφερθούμε αρχικώς σε ένα σύστημα, το οποίο βρίσκεται κοντά στην ισορροπία, π.χ., ένα εκκρεμές με τριβές. Εάν το απομακρύνουμε από την θέση ισορροπίας, τότε αυτό, μετά από την πάροδο κάποιου χρόνου, θα επανέλθει σ' αυτήν. Σε συστήματα, όμως, μακρυά από την ισορροπία υπάρχουν δεσμοί, οι οποίοι δεν τους επιτρέπουν να επανέλθουν στην κατάσταση ισορροπίας.
Ως ένα τέτοιο παράδειγμα ο Prigοgine αναφέρει το οικοσύστημα πάνω στην επιφάνεια της Γης: καθώς αυτό δέχεται την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, απομακρύνεται από την ισορροπία και οδηγείται στην δημιουργία πολύπλοκων δομών. «Το σημαντικό σημείο, παρατηρεί ο Prigοgine, έγκειται στο ότι, μακρυά από την ισορροπία, όταν το σύστημα διαταραχθεί, δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα επιστρέψει και πάλι στην αρχική του κατάσταση. Αντιθέτως, το σύστημα αρχίζει να διερευνά νέες δομές, νέα είδη οργάνωσης στον χωρόχρονο, τα οποία ονόμασα δομές διασκορπισμού».

Τα παραδείγματα δε εύτακτων δομών που προκύπτουν από τυχαίες διακυμάνσεις είναι πολυάριθμα: η αστάθεια του Benard στην υδροδυναμική, οι ταλαντούμενες χημικές αντιδράσεις και τα χημικά ρολόγια, όπως η διάσημη αντίδραση Belousov-Zhabotinsky στη χημεία, οι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις στη βιολογία, κ.ά.

Διακλάδωση: Παράθυρο των διχαζομένων διαδρομών

Ενας σπουδαίος παράγοντας στην εμφάνιση νέων δομών είναι η συνεισφορά των διακυμάνσεων ή διαταράξεων, δηλαδή των ξαφνικών αλλαγών που επιτρέπουν κάτι καινούργιο να εμφανιστεί, ακόμη και εκεί που η ύπαρξη της εντροπίας θα το απέκλειε. Αυτό συμβαίνει επειδή οι δομές διασποράς είναι μη γραμμικά συστήματα, η τάξη των οποίων αναδύεται απο το χάος. Μια και μόνο διακύμανση προστιθέμενη σε άλλες θα μπορούσε να γίνει αρκετά ισχυρή ώστε να επαναοργανώσει το όλο σύστημα σε ένα νέο πρότυπο. Τα σημεία αυτά, τα ονομάζει σημεία διακλάδωσης και είναι σημεία στα οποία καταρρέει η ντετερμινιστική περιγραφή και το σύστημα τότε ακολουθεί μία από τις πολλές πιθανές διακλαδώσεις του δρόμου.

Σαν στιγμιαίο παράθυρο στο όλον, η ενίσχυση των διακλαδώσεων οδηγεί σε τάξη ή χάος. Στην αντίληψη του Prigogine για τα πράγματα η διακλάδωση --λέξη που σημαίνει το σημείο διχασμού ή διαίρεσης-- αποτελεί βασική έννοια. Η διακλάδωση σε ένα σύστημα είναι μια στιγμή ζωτικής σημασίας όταν κάτι τόσο μικρό όσο ένα μεμονωμένο φωτόνιο, μια ελαφρά διακύμανση της εξωτερικής θερμοκρασίας, μια αλλαγή της πυκνότητας, ή το φτερούγισμα μιας πεταλούδας στο Χονγκ Κονγκ, διογκώνεται τόσο πολύ με την επανάληψη ώστε δημιουργείται μια διχάλα -και το σύστημα παίρνει νέα κατεύθυνση. Με το πέρασμα του χρόνου, ο χείμαρρος των σημείων διακλάδωσης κάνει το σύστημα είτε να κατακερματιστεί καταλήγοντας στο χάος, είτε να σταθεροποιήσει μια νέα συμπεριφορά μέσω σειράς βρόχων ανάδρασης ( όπως αυτοκατάλυση, σταυροειδής κατάλυση και αυτοπαρεμπόδιση).

Εφόσον σταθεροποιηθεί από την ανάδρασή του ένα σύστημα που έχει περάσει μέσα από μια διακλάδωση, μπορεί να αντισταθεί σε άλλες μεταβολές για εκατομμύρια χρόνια, ώσπου κάποια κρίσιμη νέα διαταραχή να ενισχύσει την ανάδραση και να δημιουργήσει ένα νέο σημείο διακλάδωσης.

Στα σημεία διακλάδωσής του, προσφέρεται πραγματικά στο σύστημα που ακολουθεί μια πορεία η δυνατότητα «επιλογής» ανάμεσα σε διάφορα είδη τάξης. Η εσωτερική ανάδραση μερικών επιλογών είναι τόσο σύνθετη ώστε υπάρχει ουσιαστικά άπειρο πλήθος βαθμών ελευθερίας. Με άλλα λόγια, η τάξη της επιλογής είναι τόσο υψηλή ώστε πρόκειται για χάος. ' Αλλα σημεία διακλάδωσης προσφέρουν επιλογές όπου η ανάδραση σύζευξης παράγει λιγότερους βαθμούς ελευθερίας. Αυτές οι επιλογές μπορεί να κάνουν το σύστημα να φαίνεται απλό και κανονικό.

Αυτό όμως είναι απατηλό επειδή η ανάδραση σε φαινομενικά απλές τάξεις, όπως το σολιτονικό κύμα, είναι επίσης πάρα πολύ σύνθετη.

Το καθαρό αποτέλεσμα των διακλαδώσεων στην εξέλιξη των ζωντανών κυττάρων ήταν να δημιουργηθούν οργανικές χημικές αντιδράσεις που έχουν υφανθεί με πολύπλοκο και σταθερό τρόπο στο περιβάλλον του κυττάρου. Αυτήν ακριβώς την ύφανση βρόχων ανάδρασης εννοεί ο Prigogine με τον όρο «επικοινωνία». Μέσω τέτοιας επικοινωνίας το σύστημα διατηρείται άθικτο.

Τα σημεία διακλάδωσης είναι ορόσημα στην εξέλιξη του συστήματος και αποκρυσταλλώνουν την ιστορία του. Η ιστορική καταγραφή των ανθρώπινων διακλαδώσεων βρίσκεται χαραγμένη στα ανθρώπινα έμβρυα. Αυτά περνούν μέσα από στάδια όπου μοιάζουν με ψάρια, έπειτα με αμφίβια και τέλος με ερπετά.
Αποτυπωμένα σε όλες τις μορφές και διαδικασίες που μας κάνουν μοναδικούς -στις χημικές αντιδράσεις των κυττάρων μας και τη μορφή των νευρικών μας δικτύων- βρίσκονται χιλιάδες χιλιάδων σημεία διακλάδωσης που συνθέτουν μια ζωντανή εξιστόρηση των επιλογών μέσω των οποίων εξελιχτήκαμε ως σύστημα από το αρχικό απλό κύτταρο στη σημερινή μας μορφή.
Σε κάθε σημείο διακλάδωσης κατά το παρελθόν του συστήματός μας, είχαμε μια πορεία στην οποία υπήρχαν πολλά μέλλοντα.
Με την επανάληψη και την ενίσχυση του συστήματος, επιλεγόταν το ένα μέλλον και οι άλλες δυνατότητες εξαφανίζονταν για πάντα. 'Ετσι τα σημεία διακλάδωσής μας συνθέτουν έναν χάρτη της μη αντιστρεπτότητας του χρόνου.
'Ετσι η δυναμική των διακλαδώσεων αποκαλύπτει ότι ο χρόνος είναι μη αντιστρεπτός αλλά μπορεί να πραγματοποιεί ανακεφαλαιώσεις. Επίσης αποκαλύπτει ότι η κίνηση του χρόνου δεν είναι μετρήσιμη. Κάθε απόφαση που λαμβάνεται σε ένα σημείο διακλάδωσης περιλαμβάνει μια ενίσχυση σε κάτι μικρό.Αν και η αιτιότητα λειτουργεί κάθε στιγμή, η διακλάδωση συμβαίνει απρόβλεπτα.

Ο Prigogine επισημαίνει: «Αυτό το μείγμα αναγκαιότητας και τύχης συνθέτει την ιστορία του συστήματος». Συνθέτει επίσης τη δημιουργικότητα του συστήματος. Η ικανότητα ενος συστηματος να ενισχυει μια μικρη μεταβολή αποτελεί δημιουργικό μοχλό.
Μία μόνη μέλισσα εισερχόμενη σε μια κυψέλη με χιλιάδες αλληλεπιδρώσες μέλισσες μπορεί να σύρει όλη την κυψέλη στον αέρα κάνοντας μικρές κινήσεις που δείχνουν την τοποθεσία πλούσιων σε γύρη λουλουδιών.
Τα συστήματα είναι επίσης πολύ ευαίσθητα κοντά σε εκείνα τα μέρη που αποτελούν την αποκρυσταλλωμένη «μνήμη» διακλαδώσεων του παρελθόντος. Τα έθνη εξελίχθηκαν κυρίως μέσω διακλαδώσεων που περιλάμβαναν έντονες συγκρούσεις. Επομένως, είναι πολύ ευαίσθητα σε ορισμένα είδη πληροφοριών που αναπαράγουν εκείνες τις διακλαδώσεις. Ενας μόνο τίτλος εφημερίδας μπορεί να κινητοποιήσει για πόλεμο ολόκληρο έθνος.