Tao complesso livello 1: Tao Dissipativo

Un secondo modello della complessità al livello 1 - chimico - è stato condotto da  Ilya Prigogine sulla termodinamica di sistemi complessi lontani dall'equilibrio, in particolare sulle cosidette  strutture dissipative (o sistemi dissipativi),  inteso come un  sistema termodinamicamente aperto che lavora in uno stato lontano dall'equilibrio termodinamico scambiando con l'ambiente energia, materia e/o entropia. I sistemi dissipativi sono caratterizzati dalla formazione spontanea di anisotropia, ossia di strutture ordinate e complesse, a volte caotiche. Questi sistemi, quando attraversati da flussi crescenti di energia e materia, possono anche evolvere, passando attraverso fasi di instabilità ed aumentando la complessità della struttura (ovvero l'ordine) e diminuendo la propria entropia (neghentropia).

Il termine struttura dissipativa fu coniato da Prigogine alla fine degli anni '60, lavoro per cui ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1977. Il merito di Prigogine fu quello di portare l'attenzione verso il legame tra ordine e dissipazione dell'energia, discostando lo sguardo dalle situazioni statiche e di equilibrio generalmente studiate fino ad allora, e contribuendo in maniera fondamentale alla nascita di quella che oggi viene chiamata epistemologia della complessità. In natura i sistemi isolati sono solo un'astrazione o casi particolari, mentre la regola è quella di sistemi aperti che scambiano energia con i sistemi limitrofi e grazie a questo sono in costante evoluzione.

La loro caratteristica è quella di influire sullo squilibrio dell’energia assorbendola e restituendola esternamente sotto forma di calore.

In questi ultimi anni si è sviluppato un vocabolario della complessità avente come termini fluttuazione, stabilità, transizioni di fase. Tutti questi termini fanno riferimento al problema del tempo, il quale è stato uno dei problemi studiati fin dagli inizi delle civiltà occidentali.

L’esistenza di un tempo fisico separato da un tempo filosofico, è stato un problema centrale per le preoccupazioni di molti filosofi: da Heiddeger ad Aristotele. Quest’ultimo si pose la domanda: cosa è il tempo? Rispose a questa domanda affermando che il tempo è differenza, è moto, è una rappresentazione della differenza tra ciò che viene prima e ciò che viene dopo. Quest’analisi fu ripresa da Heiddegger il quale individua una differenza molto forte tra passato e futuro. Egli mette in risalto che non è il tempo così come introdotto dai fisici a determinare tale differenza. E questo spiega il fatto che la scienza non è in grado di raggiungere l’essenza nel descrivere l’universo.

Prigogine pensa che tutti gli sviluppi della scienza nell’ultimo decennio hanno dimostrato che il tempo è un elemento essenziale della fisica dell’universo. Il fatto che si è costretti a parlare di un universo in evoluzione, perché è l’unico modo per descrivere i fatti che si osservano, è una prova che la direzione del tempo non è una costruzione dell’uomo ma che è insita nella natura. Ed è per questo che non è più possibile fare una distinzione tra tempo fisico e tempo filosofico. 
Secondo Prigogine la fisica classica voleva eliminare qualsiasi riferimento alla storia, la storia era concepita come qualcosa che esiste solo perché non comprendiamo le cause di un processo fisico. L’universo però non può essere ricondotto ad eventi indipendenti, non è così semplice. Abbiamo bisogno anche di eventi stocastici (probabili, casuali), abbiamo bisogno di reversibilità. Abbiamo bisogno di eventi casuali.

Prigogine afferma una nuova logica scientifica. Alla base della sua prospettiva c’è una sfiducia sull’idea classica che la natura segua sempre la via più semplice.

Al contrario, egli afferma che il funzionamento della macchina-natura è dovuto alla complessità dei processi a carattere irreversibile. Prigogine giunge a questa’idea analizzando il fenomeno della termodinamica chiamato entropia. In termodinamica l'entropia è una funzione di stato che si introduce insieme al secondo principio della termodinamica e che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo. In base a questa definizione si può dire, in forma non rigorosa ma esplicativa, che quando un sistema passa da uno stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta.

Nell’evoluzione storica dell’universo, c’è infatti un evento eccezionale perché smentisce il graduale passaggio dell’energia, dall’ordine al disordine (l’entropia). Questo evento fu il sorgere della vita sulla terra e la conseguente esistenza delle varie forme di vita caratterizzate, come altri processi irreversibili, dall’autorganizzazione. Quest’ultima si pone contro il presunto equilibrio dell’ordine naturale e quindi contro l’idea antiscientifica della semplicità dei fenomeni, alla quale va contrapposta la complessità, che è necessariamente assenza di equilibrio energetico (entropia) e disordine fisico. Si sviluppa quindi la fisica del non equilibrio avente alla base una dinamica non lineare. Il risultato più inaspettato di ciò è la presa di coscienza del ruolo costruttivo del non equilibrio: lontano dall’equilibrio si creano stati coerenti e strutture complesse che non potrebbero esistere in un mondo reversibile.
In questo modo, la natura crea dei sistemi dissipativi quali gli esseri viventi.

ILYA PRIGOGINE: L’ESPLORAZIONE DELLA COMPLESSITA’

"Le scienze umane non possono prescindere dall'idea di una freccia temporale orientata, sia a livello individuale sia a livello collettivo; il tempo è una dimensione fondamentale dell'esistenza. Come riconciliare questa convinzione con le leggi fondamentali della fisica classica e quantistica, secondo cui il passato e il futuro sono intercambiabili?" Da domande come questa prende avvio la speculazione di Prigogine e Stengers, per una nuova definizione di quei fenomeni di irreversibilità e indeterminazione, davanti a cui la scienza classica subisce una battuta d'arresto.
Il mondo della fisica classica è costituito da fenomeni reversibili, in cui la temporalità è un'illusione; Ilya Prigogine e Isabelle Stengers sostengono invece in questo volume che le leggi hanno una direzione nel tempo: le caratteristiche di tutte le parti del sistema del mondo sono immutabili e le parti non fanno che svolgere in eterno le conseguenze di uno stato iniziale, imperfettamente conosciuto ma perfettamente conoscibile. La scienza ritiene oggi che, lungi dall'essere un'illusione, l'irreversibilità giochi un ruolo essenziale nella natura e sia all'origine di molti processi di organizzazione spontanea, probabilmente alla base dell'auto-organizzazione biologica. La reversibilità e il determinismo si applicano soltanto a semplici, limitati casi, mentre l'irreversibilità e I'indeterminazione sono la regola. Il mondo è nel suo complesso ben lontano dall'equilibrio: quando ci spostiamo dall'equilibrio a condizioni lontane da esso ci spostiamo dal ripetitivo e dall'universale verso lo specifico e l'unico. Per usare un linguaggio antropomorfo, in condizioni di lontananza dall'equilibrio la materia comincia ad essere capace di percepire differenze nel mondo esterno, può reagire con grandi effetti a piccole cause, può trovarsi davanti a biforcazioni. Una piccola fluttuazione può dare inizio ad una nuova evoluzione che cambierà drasticamente l'intero comportamento del sistema." 

Una tra le più grandi strutture dissipative: la Grande Macchia Rossa su Giove fotografata da Voyager 1 nel 1979

The coordinated movements of liquids and gases leading to patterns can also be observed in the laboratory This figure shows a hexagonal pattern of liquid helium in a vessel that is heated from below. This classical experiment was first done by Bénard (1900) with oil. In the middle of each cell, the liquid rises, cools down at the upper surface and then sinks down at its border

evoluzione di una struttura dissipativa nel tifone Matsa (2005)

Time, Structure, and Fluctuations
Ilya Prigogine

SCIENCE, VOL. 201, 1 SEPTEMBER 1978

Copyright 1978 by the Nobel Foundation.

The author is professor of physics and chemistry, Universite Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium; director of the Instituts Internationaux de Physique et de Chimie (Solvay), Brussels; and professor of physics and chemical engineering and director of the Center for Statistical Mechanics and Thermodynamics, University of Texas, Austin 78712. This article is the lecture he delivered in Stockholm, Sweden, on 8 December 1977 when he received the Nobel Prize in Chemistry.

Summary

Fundamental conceptual problems that arise from the macroscopic and microscopic aspects of the second law of thermodynamics are considered. It is shown that nonequilibrium may become a source of order and that irreversible processes may lead to a new type of dynamic states of matter called "dissipative structures."
The thermodynamic theory of such structures is outlined. A microscopic definition of irreversible processes is given, and a transformation theory is developed that allows one to introduce nonunitary equations of motion that explicitly display irreversibility and approach to thermodynamic equilibrium. The work of the group at the University of Brussels in these fields is briefly reviewed. In this new development of theoretical chemistry and physics, it is likely that thermodynamic concepts will play an everincreasing role.

The Center for Complex Quantum Systems
Department of Physics | The University of Texas at Austin