Lejos del equilibrio: sinergética, autoorganización y teoría de catástrofes

Introducción

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 denominósinergética 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.