Redes Complexas em Processos Dinâmicos

Na construção de uma “ciência da complexidade“…deve-se buscar                                    uma visão capaz de transcender a polarização entre “reducionismo”                                e…”holismo” permitindo a ‘modelagem’ de sistemas que apresentam,                                simultaneamente, as características de… “distinção“… e “conexão“.

neuronio2O estudo de ‘sistemas complexos’ cresceu muito nos últimos anos; não obstante ser o conceito de complexidade, ainda muito vagamente definidosegundo diferentes teorias. O termo ‘complexidade‘ vem do latim…’complexus’…cujo significado é definido por “entrelaçado”“retorcido”. – O que pode ser interpretado como que, para se ter um ‘sistema complexo’ é necessário… (a) 2 ou mais diferentes partes ou componentes;  e…(b) tais componentes devem estar de algum modo interligados numa estrutura estável.

Aqui, encontra-se a dualidade básica entre partes – que são, ao mesmo tempo…distintas e interconectadas. Um sistema complexo não pode ser analisado ou separado num conjunto de elementos independentes, sem ser destruído. Portanto é impossível empregar métodos reducionistas em sua interpretação. Se certo domínio for complexo, deverá…por definição  ser resistente à análise, e assim, seus fenômenos não poderão ser reduzidos às suas partes.  O holismo pode ser visto, como uma corrente de pensamento oposta ao reducionismo, propondo a observação do ‘fenômeno complexo’ como um todo; ao invés de uma coleção de suas partes… O “holismo”, entretanto, também negligencia um importante aspecto das ‘entidades complexas’, qual seja, o fato de que elas são compostas de “partes distintas“, mesmo que estas se encontrem em… “estreito relacionamento“. — Uma forma simples de modelo que satisfaz, simultaneamente, esses 2 requisitos… aparentemente contraditórios de… “distinção“…e…”conexão“… — se trata do conceito matemático de “rede”.

Uma rede consiste de nodos e conexõesou “arcos entre os nodos”, que podem ser vistos como partes de um ‘sistema complexo’, enquanto que as conexões irão corresponder às… “relações” … que se estabelecem entre si.

Esta visão tem a propriedade de ser reversível, isto é, pode-se também ver os nodos como conexões entre arcos, que então são tomados como “elementos componentes“. – Assim, a ‘abordagem reducionista‘ pode ser vista somente como um método de tenta eliminar, tanto quanto possível as ‘conexões‘, enfatizando a individualidade dos nodos, enquanto a ‘abordagem holística‘ elimina, tanto quanto possível, as ‘distinções’ entre estes nodos.  Ambos os métodos reduzem o “fenômeno complexo“, a uma representação mais simples, quer dizer…um conjunto solto de nodos diferenciados…ou uma massa de conexões entre nodos iguais, negligenciando assim uma parte essencial das características do fenômeno.

freelance-translator-scienceO termo “complexidade” é por vezes tomado como sinônimo de desordem…caos. Porém, apenas esta noção, não é suficiente para sua definição…É necessário entender também o conceito de ‘ordem‘. Exemplos simples são estruturas cristalinas… onde sua ‘simetria‘ se define matematicamente, na ‘invariância’ sob grupos de…’operações/transformações’.

Ordem e Caos
A principal característica de um sistema ordenado é a sua previsibilidade (espacial/temporal)… Não é necessário conhecer o sistema como um todo                          para reconstruí-lo…ou prever sua estrutura… – o sistema é “redundante”.

Levada ao limite esta definição, na tentativa de produzir uma ordenação máxima, obtém-se um sistema caracterizado pelo fato de ser “invariante“… sob toda e qualquer possível transformação. A única estrutura possível para tal sistema, então se caracteriza pela total “homogeneidade”…deve ser possível mapear o sistema de uma parte qualquer para outra sem que nenhuma modificação ocorra. Além disso, o sistema deve possuir uma ‘extensão infinita’, porque de outro modo se poderia imaginar transformações, que mapeassem de uma parte do sistema, para algum elemento fora de seus limites. Ou seja, um sistema de ordenação máxima iria corresponder a um…’vácuo clássico‘…substância estendida ao infinito… na qual nenhuma componente… – ou ‘estrutura interna‘, pode ser distinguida.

Tal sistema é o oposto do que se considera um “sistema complexo”,             que se caracteriza por possuir uma estrutura interna diferenciada.

desordem, por outro lado, é caracterizada pela ausência de invariância, isto é, pela ausência de transformações (não triviais) que não teriam qualquer efeito distinguível sobre o sistema. – No limite…isto significa que qualquer parte do sistema – por mais insignificante que seja … deve ser diferente ou independente de qualquer outra parte.

gás perfeito1O exemplo aproximado de um tal sistema, seria o do ‘gás perfeito’… onde a velocidade de 2 moléculas, não têm qualquer vínculo entre si. Porém, mais de perto o fenômeno  apresenta ‘diversas invariâncias‘, como, por exemplo, o movimento ‘contínuo’… das moléculas do gás, no curto intervalo de tempo… em que não colidem…indicando uma ‘conservação de momentum.

Além disso, o espaço entre as moléculas pode ser considerado                        como sendo, o de um…”vácuo clássico“…que… é ‘ordenado’.

Num sistema de ‘máxima desordem’, deve haver partículas com qualquer momento físico aparecendo e desaparecendo a qualquer instante no tempo, e qualquer posição no espaço. Um exemplo de tal sistema é o “vácuo quântico”…As flutuações quânticas do vácuo criam,  e destroem continuamente…”partículas virtuais…que de tão instáveis… a princípio – são impossíveis de se observar. Na prática, isto faz o ‘vácuo quântico’ indistinguível do ‘vácuo clássico’ – donde se conclui que…tanto a perfeita ordem, quanto a perfeita desordem…no limite, correspondem ao ‘vazio…isto é…à ausência de qualquer forma de ‘complexidade’.

auto-organizaçãoAuto-organização em processos dinâmicos

Outra questão fundamental é: ‘De onde vem a ordem?  Segundo as leis gerais termodinâmicas…os “processos dinâmicos” tendem a caminhos de menor consumo de energia…até o sistema achar um “ponto de equilíbrio”, onde permanecerá…enquanto não sofrer perturbação.   

Há, porém, diversos exemplos na natureza de sistemas e organismos que, além de alta energia, apresentam grande organização interna…em aparente desafio às “leis físicas”. Alguns deles são:

  • Partículas de limalha de ferro…que se alinham segundo as                                              linhas de força do campo magnético a que são submetidas;
  • Partículas d’água… que suspensas no ar… formam nuvens;
  • Formigas ou abelhas … que formam um complexo sistema                                                  de sociedade… – altamente estruturada… e, hierarquizada.

A organização surge espontaneamente a partir da desordem e não parece ser dirigida por leis físicas conhecidas. De alguma forma a ordem surge das múltiplas interações entre as unidades componentes, e as leis que podem governar esse comportamento…não são bem conhecidas. – A perspectiva comportamental de um “sistema auto-organizável“…poderia revelar, por exemplo, “padrões espaço-temporais” – ou seja… caminhos, limites, ciclos e sucessões poderiam surgir (de repente) em sistemas heterogêneos complexos…Entender estes mecanismos pode conduzir à construção de modelos mais informativos, e precisos.

Os primeiros modelos de formação de padrões usados, baseavam-se em uma abordagem “top-down”, onde os parâmetros descrevem níveis mais altos dos sistemas… De acordo com este enfoque a ‘dinâmica populacional’ é representada em seus níveis mais elevados,  e não como o resultado de uma atividade que ocorre ao nível mais baixo…dos indivíduos.  Este tipo de abordagem viola 2 princípios básicos dos fenômenos populacionais, que são: ‘individualidade e ‘localidade…A individualidade tenta considerar as diferenças entre os indivíduos. – Tais diferenças…mesmo pequenas…podem levar a resultados radicalmente diferentes na evolução populacional ao longo do tempo. Já a ‘localidade’, significaria que cada evento além de possuir localização, exerce um tipo de influência. – Ignorá-la…inibe fatores que talvez pudessem melhorar a visão da dinâmica espaçotemporal dos sistemas.

Pré-condições da Auto-organização                                                                                      A conquista da liberdade é algo que faz tanta poeira… que, por medo                                    da bagunça…preferimos optar pela arrumação’. (Carlos Drummond)

moto-contínuoÉ necessário a um sistema satisfazer diversas pré-condições, e valer-se de vários mecanismos para promover a auto-organização. Tais mecanismos, são, de certa forma, redundantes…e mal definidos – contudo, permitem, de certa maneira… – uma ‘avaliação  intuitiva‘… — do “potencial de auto-organização” dos sistemas. São eles:

  • Abertura Termodinâmica: Em 1º lugar, o sistema (unidade reconhecível, tal como órgão, organismo ou população) deve trocar energia e/ou massa…com o seu ambiente. Em outras palavras… – deve haver um “fluxo não-nulo” de energia através do sistema.
  • Comportamento Dinâmico: Se um sistema não está em equilíbrio termodinâmico, sua única opção é assumir algum tipo de ‘dinâmica‘ – significando contínua mudança.
  • Interação Local: Uma vez que todos sistemas naturais apresentam interações locais,  este deve ser importante mecanismo à “auto-organização” dos modelos representados.
  • Dinâmica Não-Linear: Sistemas com “laços de feedback”…positivo e negativo…são modelados por equações não-lineares. Com isso, pode ocorrer uma ‘auto-organização’ entre partes do sistema, e as estruturas emergentes em níveis hierárquicos mais altos.
  • Grande Número de Componentes Independentes: Uma vez que – a origem da auto-organização recai nas conexões, interações e ‘laços de feedback’ entre partes dos sistemas, sistemas auto-organizáveis devem possuir grande número de componentes.
  • Comportamento independente da “estrutura interna” dos componentes: Isto quer dizer que não importa do que… – ou, como os componentes do sistema são feitos, desde que façam as mesmas coisas… – Em outras palavras…isto significa, que    a mesma propriedade emergente irá surgir… em sistemas completamente diferentes.
  • Emergência: A “emergência” é provavelmente a noção menos conhecida dentre as que se relacionam com auto-organização… O todo é maior do que a soma das partes, exibindo padrões e estruturas que surgem espontaneamente, de tal comportamento.
  • Comportamento organizado… e, bem definido: Desconsiderando a estrutura interna de um sistema complexo, visto apenas como mais um ‘fenômeno emergente’, pode-se constatar que o comportamento deste sistema…é bastante preciso e regular.
  • Efeitos em Múltiplas Escalas: A emergência também aponta, para… ‘interações’ entre múltiplas escalas nos sistemas auto-organizáveis. – Estas…em pequena escala, produzem estruturas em larga escala… – que modificam atividades na escala menor.

snowball1Estruturas de Feedback

Uma estrutura de feedback é um ‘laço causal’, uma cadeia de causas e efeitos que forma um anel. Dentre essas estruturas, a mais simples    é o “feedback de reforço” … — cuja principal característica é ser… “auto-amplificador“.

Quanto mais “complexo” um sistema (“seres vivos”…por exemplo) maior a quantidade de estruturas de feedback, e maior também a possibilidade de surgirem… ‘propriedades emergentes’… totalmente novas em um sistema.

A metáfora da bola de neve que rola e cresce…ao mesmo tempo em que sua velocidade aumenta – além de bem representar o fenômeno … demonstra também 2 movimentos completamente diferentes de perceber o processo…ao se acompanhar a própria “bola”, verifica-se que ela possui um movimento circular de rotação, sobre si mesma. Mas, ao observarmos a bola rolando… vê-se que sua trajetória descreve uma linha reta. – Os 2 movimentos representam 2 formas fundamentalmente diversas de perceber o tempo.
Na tradição científica ocidental adota-se em geral a ‘visão linear‘. O tempo é visto como passado, presente e futuro dispostos sobre uma linha. O presente é um ponto sobre esta linha, movendo-se em direção ao futuro…e deixando o traço do passado atrás de si… Na visão linear as causas estão sempre por trás dos efeitos. Este entretanto, não é o caso na visão circular, onde causa e efeito estão conectados em um ‘ciclo‘. Não faz sentido falar      em “na frente de”…ou…“atrás de” uma trajetória circular…onde qualquer ponto está ao mesmo tempo na frente e atrás do outro. Na verdade, cada uma dessas visões necessita      da outra – pois correspondem a duas diferentes perspectivas, de um mesmo fenômeno.Sem título

A metáfora da bola de neve mostra como duas perspectivas podem ser combinadas…em 2 visões complementares…através de uma estrutura circular de feedback rolando (uniformemente) sobre um tempo linear.  

Metabalanceamento” e “fenômenos meta-estáveis”                                                    Um sistema…”meta-balanceado”…é um sistema que pode ser visto de 2 diferentes perspectivas. A nível de detalhe está totalmente “desbalanceado”… – mas de uma     perspectiva global, o sistema parece estável e ordenado. – O curioso aqui é que o sistema precisa estar desbalanceado internamente para produzir ‘ordem global’.

Frequentemente comportamentos muito organizados surgem em sistemas de extrema complexidade. – Nos organismos vivos…por exemplo… – bilhões de células interagem apresentando um comportamento, notavelmente organizado. – Ainda que os diversos ‘fenômenos emergentes’ que ali ocorrem sejam muito diferentes uns dos outros – eles possuem algo em comum. Um conceito muito importante que conecta a todos eles é o “meta-balanceamento. Este é um conceito considerado “chave” ao entendimento        da “emergência“…sendo um dos aspectos menos intuitivos da “teoria dos sistemas”.

efeitodomino.pngÉ como afirmar que o modo de produzir ‘estabilidade emergente‘ num sistema é induzi-lo…internamente…a um “estado desbalanceado…Na verdade, os efeitos “bola de neve”… bem como o “dominó”, são … “fenômenos meta-estáveis”.

No efeito dominó, há um comportamento estável e ordenado no sistema: a “onda. Mesmo assim, todavia, o comportamento individual, observado em cada ‘dominó’ – é          de desequilíbrio. – Isso porque a composição da…’esfera invisível‘…formada pelos dominós que caem, rola exatamente no ponto em que estes tombam, desbalanceados.

Um sistema “balanceado” (ou,em balanço“) é um sistema que não dispende energia. Portanto, um sistema está desbalanceado quando dispende energia, e para provocar o surgimento de “fenômenos emergentes” nos sistemas, é necessário fazê-los dispender energia…Além disso, deve-se continuamente alimentá-los com novos componentes, e energia para sustentar o meta-balanceamento…Assim, o efeito dominó somente pode       se manter, enquanto houver um novo dominó em pé… – na frente do que está caindo.

Em outras palavras, é necessário alimentar-se constantemente a esfera invisível com novos dominós para mantê-la desbalanceada. Da mesma forma como a bola de neve precisa ser alimentada com mais neve para manter-se crescendo… – Deste modo, ao contrário dos “sistemas estáveis”, sistemas ‘meta-estáveis‘ consomem muita energia.     ‘Metabalanceamento‘ é uma propriedade universal de todos fenômenos emergentes.

extreme-surfer- in-hawaiiSobrevivência e Uniformidade

Quando se observa uma onda no oceano (ou qualquer outra onda) tem-se a sensação que, de algum modo, de um momento para outro, ela “sobrevive“…isto é… a onda se apresenta como sendo única…e de duração prolongada no tempo. – A questão é que, quando a onda se ‘auto-reproduz’… avançando ao momento seguinte … ela o faz a partir de componentes diferentes. – Assim, se a onda emergente for observada a partir de uma “gota d’água”… já não será a mesma onda. Tal comportamento é característico de um fenômeno emergente, sendo verdadeiro … para todo tipo de ondas.

Na esfera dos “seres humanos”, por outro lado, tem-se a sensação de sobrevivência…de     um instante para outro, no entanto…o que realmente ocorre é um contínuo processo de “substituição… Nova energia e novas moléculas fluem continuamente no organismo humano, onde o ciclo de substituição, ao nível molecular, dura cerca de sete anos…Este     é o período em que…todas as moléculas do corpo humano – são substituídas por novas.

Assim, quando se fala em “sobrevivência” e “uniformidade” deseja-se referir à estrutura do sistema. – Ainda que todos os componentes do sistema sejam substituídos por novos… sua ‘estrutura’ permanece fundamentalmente a mesma. Ficam assim evidentes as razões pelas quais tais conceitos precisam ser analisados em conjunto – segundo suas diferentes visões:

Visão Circular Visão Linear
Estrutura

Perspectiva Global

Meta-balanceamento

Esfera Invisível

Padrão

Perspectiva do Componente

Desbalanceamento

Onda

A “estrutura global” dos Sistemas Complexos                                                              “Nuvens, padrões climáticos, correntes nos oceanos, assembleias comunitárias,    economias e sociedades…de todo tipo, exibem formas complexas… – indicando                 em sua infra-estrutura elementos de uma intensa e contínua auto-organização”.

A teoria da complexidade se relaciona muito de perto com a teoria dos sistemas.          Ambas por sua vez estão relacionadas com a “teoria do caos” … e a “cibernética”.            Esse relacionamento é resumido na tabela abaixo…a diferentes tipos de teorias:

Sistemas Comportamento
Teoria dos Sistemas simples simples
Teoria da Complexidade complexos simples
Teoria do Caos simples complexo
Cibernética complexos complexo

A teoria dos sistemas e a teoria da complexidade se sobrepõem e são baseadas nos mesmos princípios. Qual seria então a necessidade de duas disciplinas distintas?…A razão principal parece ser o fato de que ambas pertencem a 2 diferentes tradições científicas — entretanto, há certamente outros motivos… Nem todos os sistemas são tão simples como a galinha e o ovo… – Em um sistema, constituído por milhões de componentes – projetar sua estrutura circularmente…descrevendo todos os possíveis laços de feedback – seria quase impossível. Um esquema resumido de feedback em sistemas complexos é mostrado na Figura a seguir.
Sem título2

Como o diagrama sugere, há um relacionamento circular entre a estrutura global do sistema e as interações locais entre os componentes. A estrutura global pode ser definida como a rede de todos relacionamentos locais…produzida e mantida num dado momento, pelo total de interações que ocorrem neste instante… Cada um…e todos componentes do sistema interagem com seus vizinhos imediatos – modificando assim a ‘estrutura global’.

Uma vez que cada componente responde à “estrutura global”… então o comportamento de cada indivíduo é determinado pelo todo; ao mesmo tempo em que a resposta independente de todos componentes… em um      dado momento, produz o ‘todo’…correspondente ao momento seguinte.

Um exemplo de sistema complexo é uma ‘sociedade’…consistindo em muitos componentes independentes… interagindo de modo local. – O estado corrente da sociedade é a estrutura global. – Cada um, e todos os indivíduos respondem ao ‘estado corrente’…e portanto criam o novo estado da sociedade no momento seguinte, e assim por diante… — Desse modo, um “sistema complexo” pode ser definido como sendo constituído por inúmeros componentes, que interagem localmente para produzir um…”comportamento geral“… organizado e bem definido…de acordo com uma forma autônoma da estrutura interna de seus componentes.

Sistemas auto-organizáveis apresentam frequentemente, uma forma altamente complexa de organização… As colmeias, por exemplo… – tem padrões óbvios…e regularidades, mas não são estruturas simples. Elementos estocásticos afetam a estrutura e dinâmica de uma colmeia, gerando ‘variáveis não-determinísticas‘. Justamente por ser vista de muitas formas, não há uma definição geral apropriada para “complexidade“. – Intuitivamente, esta encontra-se em algum lugar entre a ordem e o caos – entre a superfície espelhada de um “lago“… – o bater de asas de uma “borboleta“… – e a turbulência de um “maremoto“.

Estado quiescente‘ & Transição de fase (na fronteira do caos)                    Complexidade‘ tem sido medida de várias maneiras…através de entropia                              métrica, profundidade lógica, conteúdo de informação…e outras técnicas                              semelhantes…adequadas a aplicações da química e física…mas nenhuma                                delas descreve, ‘completamente’, as características da “auto-organização”.

Uma forma de abordar o estudo da complexidade…considerando a ausência de definição satisfatória, é descrever certo espaço compreendido entre a ordem e o caos, denominado    fronteira do caos“…Em 1990, Chris Langton conduziu um experimento, empregando autômatos celulares(‘AC‘)…Tentava-se assim, descobrir sob que condições um simples AC suportaria interações do tipo transmissão, armazenamento, e troca de informações: 

automatocelular

Cada célula recebe todos seus “inputs” das demais células em sua região mais próxima, definida como sua ‘vizinhança’. — O estado interno das células… no momento seguinte, então é determinado … pelo ‘estado‘ de sua vizinhança…e a “função de transição”, que indica, qual o novo ‘estado‘ a ser assumido pela célula… Assim, portanto, o “estado da vizinhança” fica associado à transmissão… enquanto o “estado interno” do AC se refere ao armazenamento; já a “função de transição”, espelha a modificação da informação.

Para determinar como a ordem e o caos afetavam a computação…Langton formulou um valor lambda, definido como a probabilidade de dada vizinhança produzir numa célula determinado estado interno particular, denominadoestado quiescente“… Quando λ assumia o valor zero, todas as vizinhanças moviam uma célula para o estado quiescente,     e o sistema era imediatamente organizado. No entanto ao λ assumir o valor 1, nenhuma vizinhança se movia para o “estado quiescente”, e o sistema mantinha-se ‘desordenado’.

Tal experimento demonstrou a existência de um “valor crítico” para λ… correspondendo a pontos de transição de fase…em cuja proximidade, a organização computada pelo sistema é máxima. Por outro lado…ultrapassado esse valor, o caos surgia muito rapidamente… De acordo com Langton – pela associação da computação com tal ‘valor crítico’ – um sistema auto-organizado precisaria manter-se na “fronteira do caos“…para computar a si próprio.

As transições de fase nem sempre ocorrem de forma brusca como quebra entre 2 estágios. Por exemplo, a passagem de um líquido, do ponto de congelamento para o de ebulição, se dá de forma gradual, entre um estado e outro. Porém, a transformação do estado líquido para o gasoso nas vizinhanças da temperatura de ebulição, se dá num espaço muito curto entre os 2 estados. – Após um aquecimento gradual…ocorre uma mudança brusca para o estado gasoso… de forma que as 2 fases são claramente distintas, separadas por uma fina região com as condições da transição…O estudo de tais regiões é normalmente muito útil para a previsão das propriedades do sistema, ou da substância… em diferentes condições.

O mistério dos Vórtices

Redemoinhos…tornados, são exemplos perfeitos de “vórtices“. O curioso sobre eles… é que parece haver alguma força em seus centros, sugando… a partir de um ‘certo ponto’, tudo o que estiver ao seu alcance. Isto, entretanto, é apenas uma ‘ilusão’ devida ao movimento das massas em círculo. – Removidas estas massas do vórtice… — não sobra nada.

Entretanto, observando-se os vórtices, fica claro que existe uma força em algum lugar…A resposta para… – onde ela está?… é talvez uma das mais importantes da ‘ciência da complexidade’…Ela vem de dentro do sistema.

Ainda que na aparência uma força externa esteja organizando o vórtice…são as próprias massas em movimento circular que animam o fenômeno. Uma das razões pela qual este conhecimento é tão importante, é que ele encerrou a longa disputa entre o vitalismo e o materialismo… – Enquanto os ‘vitalistas’ defendiam a ideia da existência da uma “força vital”; aos ‘materialistas’ não seria necessária qualquer força externa para o surgimento    da vida… O estudo dos vórtices mostra que ambas colocações estão corretas.

Os vitalistas, muito acertadamente, identificaram uma força vital, correspondente à força de sucção ilusória, existente no centro do vórtice. – A visão materialista é também correta, uma vez que tal força vital emerge do interior do sistema. Nada do exterior está organizando o vórtice. – A força vital é real, mas não ‘existe’, possuindo o que se chama ‘hiper-existência‘ … que para ocorrer — as seguintes condições devem ser satisfeitas:

  1. O ‘fenômeno emergente’ estaria “incorporado”;
  2. Seus componentes estariam “desbalanceados”;
  3. Processos de “feedbackoperando no sistema.

Todas essas 3 condições…são satisfeitas pelos vórtices… (a) Um vórtice não pode emergir no vácuo…ele necessita estar incorporado em um ‘meio físico‘… – O que corresponde à 1ª definição de “sistema complexo” (…conter vários componentes ‘independentes’)…(b) Um vórtice não pode emergir – a menos que as massas de ar ou água que o compõem estejam em movimento (‘desbalanceadas’)…(c) o vórtice é uma…”estrutura circular“, permitindo feedbacks. Satisfeitas todas condições, a força virtual de sucção central emerge no vórtice.

A evolução por “seleção natural”                                                                                  “Realidade…é a multiplicidade das multiplicidades” (Alain Badiou…’O Ser e o Evento’)

feedbackTendo em vista que as estruturas de feedback podem atuar como filtros emergentes… ficam então tipificados tais… “processos de redução de informação…como uma forma de ‘seleção‘.  Há cerca de 150 anos atrás … Charles Darwin chegou à conclusão…que…o “mecanismo” da evolução biológica, correspondia justamente,  a um processo de “seleção natural”, definido como a “sobrevivência” do melhor adaptado.

Darwin via os organismos como um tipo de “máquina perpétua” … atravessando um processo de filtragem natural. No contexto da complexidade, tal conceito corresponde a mecanismos capazes de perpetuar sua execução…e se reproduzir. Portanto, organismos vivos entram nesta categoria, e para se manterem em funcionamento necessitam de um contínuo fluxo de energia e matéria através de si próprios, isto é…necessitam alimentos. Contudo, a seleção natural não é somente um filtro, ela é também uma ressonância que amplifica os organismos adequados, enquanto que os inadequados vão sendo retirados    de cena. E, para ser realmente criativa, precisa estar ‘desbalanceada‘…Mas, como fazer isso num sistema biológico? Levando os organismos a competir por recursos limitados.

Quando organismos competem…eles tornam a própria adequação instávelO que hoje é adequado, pode não o ser amanhãUm cenário de adequação dinâmica é fonte de novos fenômenos emergentes…que tornam a seleção natural mais do que um mero processo de filtragem passiva. Esta adequação produz criatividade e inteligência – sendo o fenômeno emergente mais importante de todos … por abrir caminho para a “evolução da evolução”. Isto pode ser constatado…na seleção natural…na evolução da mente, e evolução cultural dos povos. – Sistemas complexos são todos, constituídos de “outros todos”, mas não são criticamente dependente de seus componentes … que são os outros todos. Se uma célula morre ou uma formiga se perde isto pouco importa ao sistema ao qual pertencem.

Para estar em “meta-balanceamento”, um sistema complexo precisa        estar desbalanceado ao nível de seus componentes… – E… para isso,        precisa dar independência e liberdade a seus próprios componentes.

Sistemas complexos são ‘meta-estáveis‘ porque são constituídos de todos independentes que interagem. Quanto mais liberdade possuem os componentes, mais desbalanceado se torna o sistema… e isto é fonte de mais…”meta-estabilidade global”…evidenciando que a natureza de certa forma oscila entre o caos e a ordem. (texto base) Luiz Antônio Palazzo ******************************(texto complementar)*******************************

Complexas energias…quânticas simetrias                                                                          A pesquisa estuda um dos primeiros sistemas quânticos, com simetria de                    paridade e tempo… (PT) – permitindo a observação de como esse tipo de                        simetria, e o ato de rompê-la pode levar a fenômenos ainda inexplorados.  

De certo modo, a física é o estudo das simetrias do universo. Os físicos se esforçam          para compreender como os sistemas e as simetrias mudam sob várias transformações.        Kater Murch, físico da ‘Washington University’, em St. Louis/EUA – em relação a seu estudo publicado em 07 de outubro/2019 … na Nature Physics … assim comentou:    “Se você reflete um sistema em um espelho isso é chamado de transformação de ‘paridade trocando a mão direita pela mão esquerda, e vice-versa. – Mas, se você        gravar a evolução do sistema e reproduzir o vídeo ao contrário é uma reversão do      tempo… Entretanto, ao executarmos essas 2 transformações…simultaneamente…e, ocasionalmente, o sistema parecer o mesmo de antes, o sistema terá simetria PT“.

Outros experimentos tem demonstrado simetria PT em sistemas clássicos como:            pêndulos acoplados ou dispositivos ópticos, mas tal novo trabalho… juntamente              com experimentos da equipe de Yang Wu, na China…publicado na “Science” em            maio fornece o 1º evento experimental de um sistema quântico com simetria PT. 

Uma nova simetria em sistemas quânticos                                                                        “Nossa maior motivação é desbravar os territórios desconhecidos da…”física quântica”. Somos curiosos em investigar sistemas quânticos no momento de se encaminharem ao mundo complexo, e as poderosas ferramentas que possam oferecer”. (Mahdi Naghiloo)

quantum complexityO estudo da simetria PT tem suas raízes na Universidade de Washington…onde num ‘artigo seminal’…Carl Bender desfez  a exigência dos sistemas quânticos serem “hermitianos… para que tenham valores reais de energia requisitos mais fracos da simetria PT são suficientes. Tal noção orientou um campo da física matemática dedicado … só ao estudo desses sistemas.

Com o Incentivo de Bender, desde sua chegada à ‘Universidade de Washington’, em 2013, Murcha tem se interessado por este assunto, mas, até recentemente, ninguém sabia como fazer sistemas quânticos simétricos. Mas Yogesh Joglekar, físico teórico da “Universidade de Purdue”, Indiana, EUA…ao trabalhar experimentos simétricos com ‘circuitos elétricos’, fluidos, fótons isolados e átomos ultrafrios, testou tais sistemas em plataformas distintas. Em fins de 2017uma discussão entre Murch e Joglekar deu a resposta para tal questão.  Segundo Murch: “Quase de imediato, esboçamos no quadro, exatamente, qual era a ideia. Em 10 minutos…tínhamos toda o plano para o experimento”A equipe usou um circuito supercondutor (qubit) para gerar um sistema quântico de 3 estados. O 1º estado excitado tende a decair para o…’estado fundamental’…e os 2 demais estados excitados acoplam de modo oscilatório…Usando uma técnica chamada “pós-seleção”…consideramos apenas as tentativas em que o qubit não decaiu para o…’estado fundamental’ — escolha que resulta numa efetiva ‘simetria PT’. Controlando 2 parâmetros relacionados à energia do sistema, verificou-se como o comportamento evolutivo no tempodependia desses 2 parâmetros.

“O importante é que o experimento foi capaz de controlar o meio ambiente para que só o estado excitado decaia…e os outros estados não… – e isso era algo que, deliberadamente, poderíamos produzirAo mesmo tempo, pudemos inicializá-lo em um estado específico, para em seguida, realizarmos o processo de tomografia do estado quântico…descobrindo assim, exatamente, o comportamento do estado quântico após algum período de tempo”.

Possíveis aplicações à computação quântica                                                                  “O pesadelo de qualquer engenheiro quântico – é a                                                                  perda de informações quânticas … ou decoerência”.

Os estranhos fenômenos que a equipe observou resultam do fato do sistema possuir energias complexas, isto é, envolvem a raiz quadrada de -1. Todo número complexo      possui duas raízes quadradas (p. ex…o 4 tem 2 e -2 como raízes quadradas)exceto            o zero, que possui apenas uma (ele mesmo). Um ponto em que 2 valores se fundem.    Aqui, a ‘degenerescência’ da raiz quadrada aparece no ‘espaço de parâmetros’ como      uma “singularidade”. Tal ponto divide o “espaço de configuração” entre uma região            de simetria PT – onde o sistema oscila com o tempoe uma região com “quebra de simetria”, onde o sistema sofre decaimento. Esse tipo de comportamento contrasta fortemente com os sistemas quânticos dito triviais – que sempre oscilam no tempo.        Uma 2ª consequência das energias complexas é chamada sobreposição de auto-estatos. Os dois auto-estados do sistema, isto é, os estados com energias definidas, normalmente são ‘ortogonais’ entre si — condição análoga a 2 linhas perpendicular.      Mas, à medida que o sistema se aproxima da singularidade, o ângulo entre os auto-    estados diminui, até se tornarem paralelos, no próprio ponto singular; assim como            as raízes quadradas positiva e negativa se fundem com o valor único (0). Até agora,        essa forma de… “colapso”… nunca havia sido observada em um “sistema quântico”.

O trabalho da equipe é apenas o começo do estudo experimental da…simetria PT              na mecânica quântica. A teoria prediz estranhos efeitos geométricos associados ao    entorno da singularidade, que o laboratório está tentando medir em experimentos.             As primeiras indicações…baseadas nas simulações quânticas fotônicas de Joglekar              e Anthony Laing na Universidade de Bristol, Inglaterra sugerem que na instalação              do laboratório de Murch…o decaimento do primeiro estado excitado para o estado fundamental pode retardar o processo de decoerência‘…provendo a possibilidade            de uma computação quântica…mais estável, mais robusta. (texto baseout/2019)  *****************************************************************************

Reducionismo vs. Emergência  (Abril de 2021)                                                                        “Sociólogos submetem-se aos psicólogos. Psicólogos, submetem-se a neurologistas. Neurologistas submetem-se aos biólogos. Biólogos submetem-se aos químicos…Os      químicos – por sua vez – submetem-se aos físicos. – Já os físicos submetem-se aos matemáticos; enquanto estes, sem mais ninguém a recorrer, submetem-se a Deus.”

A ‘visão reducionista‘ é tão predominante em nossa cultura, que na cabeça das pessoas – se torna um padrão…uma filosofia implícita da ciência, mesmo que nunca explicitamente, se pense sobre isto. — O fato mesmo, é que uma precisa…perspectiva científica…pode trazer implicações fundamentais para tudo desde    filosofia … até a economia, incluindo política. 

O reducionismo, onde tudo sobre o mundo pode se explicar em átomos e suas interações, oferece uma ‘percepção estreita’ do Universo, falhando em explicar a realidade Por outro lado, a “emergência”, afirma a ‘incompletude’ do ‘reducionismo’ sugerindo que o mundo desenvolveria novas possibilidadese novas leisimprevisíveis partindo só de ‘átomos’.

Hoje muitos consideram que o reducionismo não pode representar o modo como o mundo funciona; além de ser esta “visão de mundo” – mais do que uma mera questão filosófica; carregando opções que podem ser perigosas ao próprio futuro da humanidade…como, por exemplo – o uso indiscriminado dos recursos terrestres, desprezando suas consequências; ou uma ‘inteligência artificial’, tendo a nossa como nada além de um arranjo de neurônios.

Segundo a perspectiva reducionista do filósofo Paul Humphreys“O mundo nada mais é do que arranjos espaço-temporais de objetos e propriedades físicas fundamentais…Você, eu, rochas, galáxias, sapos e ovos mexidos … somos apenas processos … cujos sucessivos estados configuram … ‘arranjos espaciais’ de objetos físicos elementares dispostos em diferentes representações, explicando toda a variedade surpreendente que encontramos em nosso dia-a-dia.” Esses “objetos fundamentais”na descrição de Humphreys, são as partículas elementares da física elétrons, quarks, etc. A ideia… é que depois de fazer uma lista de todas estas partículas elementares e entender como elas podem interagir (a quais forças respondem), a princípio, tudo o que pode acontecer, estaria nela codificado. 

Lógico que, instruídos defensores desse tipo de método têm uma compreensão filosófica sofisticada de como a cadeia de causas evolui, permitindo ir de quarks a moluscos…e daí,    a governos. Mas assim…é demonstrada uma das piores consequências do ‘reducionismo’,    qual seja…a descrição de um mundo sem novidade fundamental; sem inovação essencial.    Esta é uma questão de previsibilidade “de baixo para cima”. Se conhecemos as entidades fundamentais e suas leis, podemos, a princípio, prever tudo o que acontecerá, ou poderá acontecer. – Toda história futura, toda evolução…é só um rearranjo de elétrons e quarks. 

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Cristais de água demonstrando um processo fractal emergente. (wikipedia)

Um desafio emergente  (a chave… é a evolução)    “Um fenômeno é emergentequando não pode ser reduzido, explicado ou previsto, a partir de de suas partes constituintes.  B. Falkenburg & M. Morrison

Emergênciaé a alternativa à ‘visão reducionista’.    De uma visão emergente, ao longo da história do universo, novas entidades, e até mesmo novas leis    que regem tais entidades surgem constantemente.

Definitivamente o universo tem a capacidade de inovar e criar novidades.                            Para isso, o processo empregado é a evolução – um processo mais do que                              apenas físico. Desse ponto de vista, embora obviamente sejamos feitos de                              átomos, somos também mais do que apenas poderia ser previsto, mesmo                          com o “conhecimento perfeito” de todas aquelas “partículas elementares”.

Como filosofia, a emergência foi introduzida pela 1ª vez por um grupo de filósofos britânicos no início do século 20. Eles argumentaram que fenômenos como vida e consciência eram tão diferentes dos ‘sistemas físicos’ estudados que deveriam      incluir novas entidades. Mas, à medida que a base bioquímica da vida (DNA, p.ex)              foi descoberta…nas décadas de 1950 e 60, o interesse pela “emergência” diminuiu.            No entanto, desde então, desenvolvimentos críticos em vários campos, trouxeram                a emergência de volta, tanto para o convívio dos cientistas, quanto para filósofos.

Uma das razões mais importantes para o seu…reaparecimento…é que a ciência                  precisa dela…Na fronteira das pesquisas, existe um novo campo notável chamado  ‘sistemas complexos’: (‘O todo é maior do que a soma de suas partes’). Abarcando percepções da física, biologia, e sistemas sociais, a ‘teoria dos sistemas complexos’                tem ofertado aos cientistas uma ampla gama de exemplosonde novas entidades,                e novas regras parecem emergir da interação em rede de suas partes mais simples.          Tais estudos têm levado uma nova geração de filósofos a novamente se engajar às      ideias emergentes…usando os avanços da ciência como estímulo para desvendar              os ‘ciclos de causalidade’…fechados ou abertos…e se movendo de baixo para cima,            ou de cima para baixo. Daí surgiram distinções como emergência “fraca” e “forte”.

O certo é que, quando se trata de “reducionismo” e “emergência” existem muitas questões  espinhosas que requerem um exame minucioso. E assim, a simples ‘imagem reducionista’,  que oferece um mundo feito apenas de átomos, não pode mais ser tida como a única visão “sóbria” da ciência em sua perspectiva sobre a vida, o universo e tudo mais. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para Redes Complexas em Processos Dinâmicos

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