Geometria haosului și prioritatea îndoielii

Deși la prima vedere noțiunea de haos implică predominant dezordine, incertitudine și imprevizibilitate, ea poate fi, de asemenea, aparent paradoxal, asociată cu creativitatea, inovația și potențialul de schimbare. Mai mult, haosul, în această perspectivă, subliniază sensibilitatea la condițiile inițiale și faptul că, în ciuda aparențelor de dezordine, există modele și structuri subiacente care pot fi identificate și înțelese. Inedita abordare a conceptului de haos sugerează că în spatele lui se pot ascunde reguli și ordine mai puțin vizibile, care circumscriu un sistem complex unde mici variații inițiale pot duce la comportamente extrem de diferite în evoluția sa.

Într-o carte publicată în toamna anului 2022 (The Primacy of Doubt – From Quantum Physics to Climate Change, How the Science of Uncertainty Can Help Us Understand Our Chaotic World), profesorul Tim Palmer (Departamentul de fizică, Universitatea Oxford) ne invită la o incitantă explorare a fundamentelor științifice aflate la baza conceptelor de incertitudine și haos, precum și a modului în care diverse sisteme își pot pierde brusc stabilitatea aparentă, manifestându-se dezordonat și imprevizibil.

Palmer argumentează că efectul fluturelui (apud Edward Lorenz) este profund intermitent și, în consecință, ne putem lăsa amăgiți de un fals sentiment de siguranță cu privire la predictibilitatea unor sisteme precum vremea și economia, la care se mai adăugă clima, pandemiile, ba chiar și mișcarea planetelor, a căror predictibilitate este epitomul „ceasornicului” cosmic. Potrivit profesorului Palmer, există un „fir roșu”, un element comun care leagă toate aceste sisteme: geometria haosului, un tip de geometrie fractală descoperită de Ed Lorenz în anii ’60 și care ar avea aceeași importanță cu teoriile relativității (Einstein) și teoria mecanicii cuantice (Schrödinger și Heisenberg). Pe alt plan, geometria haosului, manifestată în structuri fractale complicate, ar deține cheia pentru înțelegerea incertitudinii și influența sa omniprezentă asupra lumii noastre.

De asemenea, se impune distincția între un haos de ordin inferior (sau haos cu puține dimensiuni) și un haos de ordin superior (sau haos cu multe dimensiuni). Termenul „dimensiune” se referă la numărul variabilelor care descriu sistemul studiat. Modelul „fluturelui” Lorenz (trei variabile) este un exemplu de haos de ordin inferior. Pe de altă parte, atmosfera, o parte integrantă a sistemului climatic, este un sistem fluid turbulent, ireversibil în timp, cu nori, jet stream-uri, cicloane, uragane, tornade, tot soiul de vânturi, gaze, cu literalmente trilioane și trilioane de vârtejuri și meandre având dimensiuni diferite. Toate acestea formează un haos de ordin superior, descris de ecuațiile Navier-Stokes. Omniprezenta turbulență a fascinat și a provocat continuu oamenii de știință (a se reciti motto-ul lui Heisenberg). Nu există o formulă simplă sau o unică ecuație care să descrie tranziția exactă de la curgerea laminară la cea turbulentă în toate situațiile.

Pentru a îmbrățișa geometria haosului este necesar să ne confruntăm cu prioritatea îndoielii: Suntem obligați să recunoaștem că, în ciuda abilităților noastre științifice, nu putem prezice cursul exact al vremii sau al climei cu o certitudine absolută. Această incertitudine poate fi paralizantă, tentându-ne să ne retragem în negare sau în inacțiune.

Palmer recunoaște necesitatea de a accepta prioritatea îndoielii când analizează eforturile și realizările studiilor meteorologice: caracterul haotic impredictibil al vremii reprezintă călcâiului lui Ahile în predicțiile deterministe. El a dezvoltat conceptul de predicție de ansamblu (ensemble prediction), care oferă previziuni operaționale probabilistice prin injectarea de „zgomot” în condițiile inițiale ale modelelor. La prima vedere, pare contrariant că adăugarea de „zgomot” (sub formă de numere aleatorii) unui model produce previziuni mai bune. Dar modelele „zgomotoase” oferă o mai bună reprezentarea a variabilelor stocastice din sistemele analizate. Practic, pentru a reprezenta un sistem haotic de ordin superior pe calculator, analiștii reduc mai întâi sistemul la unul de ordin inferior și apoi adaugă „zgomot” pentru a reprezenta scările de evoluție (de exemplu, micile vârtejuri atmosferice) care au fost eliminate prin reducția inițială.[1]

Injectarea „zgomotului” pentru a modela sistemele haotice de ordin superior este extinsă mult dincolo de predicțiile meteo.[2]

Prioritatea îndoielii și schimbarea climei

Capitolul 6, subintitulat Catastrofă sau doar călduț?, începe prin a prezenta două poziții diametral opuse (A și B) referitoare la schimbarea climei, împreună cu o întrebare simplă:

Cum putem încadra această schimbare într-o perspectivă consistentă cu prioritatea îndoielii?

A. Ne aflăm într-o criză climatică. Am ajuns în această stare prin arderea combustibililor fosili, cum ar fi cărbunele, petrolul și gazele naturale. Acest lucru a început într-adevăr odată cu Revoluția Industrială și continuă până în prezent. De-a lungul acestei perioade, am eliberat înapoi în atmosferă sute de miliarde de tone de carbon, cea mai mare parte din acestea fiind stocate în sol timp de sute de milioane de ani. În acest fel, am crescut brusc concentrația de dioxid de carbon din atmosferă la niveluri care nu au mai fost observate de milioane de ani.

Aceste concentrații vor continua să crească și în viitor, dacă nu vom înceta să mai ardem combustibili fosili. Deoarece dioxidul de carbon este un gaz cu efect de seră, emisiile noastre de carbon vor încălzi atmosfera, ceea ce va duce la schimbări catastrofale ale climei noastre, inclusiv valuri de căldură mortale, furtuni de o intensitate fără precedent și creșterea cu câțiva metri a nivelului mării cauzată de încălzirea oceanelor și de dezintegrarea calotelor de gheață. Iar carbonul pe care îl eliberăm în atmosferă va rămâne acolo pentru sute, dacă nu chiar mii de ani. Trebuie să oprim acum emisiile.

B. Astfel de avertismente alarmiste sunt complet exagerate. Dioxidul de carbon este ceea ce se numește un „gaz urmă” în atmosferă. Concentrația sa se măsoară în părți pe milion. De la începutul Revoluției Industriale, concentrația a crescut cu doar o parte la 10.000. Aceasta este o cantitate infimă. Într-adevăr, dacă calculați valoarea încălzirii datorate unei dublări a concentrației de dioxid de carbon, aceasta abia dacă depășește 1°C. Nu numai că nu este o catastrofă. Este abia perceptibilă. Temperaturile se schimbă cu mai mult de 1°C de la o zi la alta.

Și, bineînțeles, marea intuiție a lui Ed Lorenz a fost aceea de a realiza că o climă haotică nu se repetă niciodată. Pe această bază, un sistem haotic precum clima este mereu în schimbare și, prin urmare, nu putem fi niciodată siguri că o anumită perioadă caldă neobișnuită din atmosferă nu este doar efectul variabilității interne, chiar dacă perioada caldă este una record. În orice caz, predicția schimbărilor climatice este doar o prognoză meteo pe termen lung și, din nou, știm din teoria haosului că astfel de predicții pe termen lung sunt imposibile. Prin urmare, aceste previziuni privind valurile de căldură mortale și creșterea substanțială a nivelului mării sunt complet false.

În plus, modelele climatice sunt eronate și nesigure. Dacă ne uităm la predicțiile privind schimbările climatice făcute acum 30 de ani, modelele au prezis o încălzire prea mare. De altfel, când a făcut vreodată un model climatic o predicție care să se dovedească a fi corectă?

Și, în orice caz, creșterea concentrației de dioxid de carbon este un lucru de care ar trebui să ne bucurăm – prezența acestor molecule suplimentare de dioxid de carbon în atmosferă va ajuta plantele să crească mai puternic, înverzind astfel planeta.

Pentru a evita etichetele comune și bine-cunoscute, Palmer îi numește „maximaliști” pe adepții poziției A și „minimaliști” pe cei ai poziției B. Iar pentru a integra mai bine schimbarea climei într-o perspectivă consistentă cu prioritatea îndoielii, el mai oferă două răspunsuri suplimentare:

A1.Criza climatică este o manifestare a modului nostru de viață excesiv de decadent și risipitor. Noi am semănat vântul; natura culege acum furtuna. Așa cum a scris James Lovelock în lucrarea sa „Răzbunarea Gaiei”:

„Ca o doamnă în vârstă care trebuie să împartă casa cu un grup de adolescenți din ce în ce mai mare și mai distructiv, Gaia se înfurie și, dacă aceștia nu-și vor îndrepta comportamentul, îi va evacua.”

Trebuie să scăpăm cât mai repede posibil de dependența noastră de combustibilii fosili și să ducem o viață mai simplă, și mai în armonie cu natura.

B1.Decarbonizarea economiilor lumii va bloca creșterea economică a acestora, în special în părțile relativ sărace ale lumii în curs de dezvoltare, împiedicându-le să atingă standardele de viață pe care lumea dezvoltată le-a atins pe fondul energiei ieftine și cu emisii mari de carbon. Iar dacă împiedicăm creșterea economică a acestor țări mai sărace, vom bloca ratele ridicate de fertilitate umană pentru mulți ani de acum înainte, exacerbând problemele legate de creșterea nivelului populației și degradând și mai mult planeta. Toată această suferință economică este pur și simplu nemeritată – impactul schimbării climei nemijlocite asupra produsului intern brut global va fi minim. Și dacă schimbarea climei înseamnă că trebuie să ne adaptăm la noi norme meteorologice, așa să fie – ne putem permite acest lucru, nu este o mare problemă.

Cine au dreptate, „maximaliștii” sau „minimaliștii”? Aparent, argumentele ambelor părți par plauzibile. Dar prioritatea îndoielii, sub forma incertitudinii inexorabile prezente în modelele climatice, favorizează pe ultimii. Tim Palmer (laureat al Premiului Nobel pentru Pace, 2007, pentru contribuțiile sale la rapoartele IPCC) crede însă că adevărul se află undeva la mijloc. Iar pentru a micșora acea doză de incertitudine, el prezintă diverse aspecte ale modelării în care predicțiile de ansamblu (la care lucrează el însuși) ar putea contribui semnificativ precum microfizica norilor sau unele efecte de feedback.

O discuție separată este acordată laureatului Nobel pentru Fizică 2021, Syukuro Manabe de la Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) al Universității Princeton, ca pioner al simulărilor climatice. Împreună cu colegul Richard Wetherald, decedat înainte de 2021, Manabe a prevăzut două evenimente climatice (o răcire a stratosferei și un hot spot deasupra zonei arctice). Este, pe de altă parte, deplânsă decizia comitetului Nobel de a nu premia excepționalele lucrări ale lui Edward Lorenz, care, din anii 1960, au fundamentat teoria haosului. Lorenz a trăit până în 2008. De asemenea, Palmer nu citează criticile făcute de Freeman J. Dyson, colegul lui Manabe de la Institute for Advanced Study în Princeton:

Cifrele lui Manabe nu erau de încredere deoarece modelele sale computerizate nu simulau cu adevărat procesele fizice care au loc în atmosferă. De nenumărate ori [Manabe] a spus că scopul său atunci când a rulat modele computerizate nu a fost acela de a prezice clima, ci de a o înțelege. Dar nimeni nu l-a ascultat. Toată lumea credea că el prezicea clima, toată lumea îi credea cifrele.[3]

…

Și obișnuia să spună foarte ferm că aceste modele sunt instrumente foarte bune pentru a înțelege clima, dar nu sunt instrumente bune pentru a prezice clima.[4]

Alte câteva aspecte importante ale variațiilor climatice și a modalităților lor de simulare nu sunt, surprinzător, discutate sau măcar menționate de Palmer: ciclurile Milanković (care introduc un element determinist în haosul climatic), existența Micii Glaciații (~500 ani), Optimul Medieval (~300 ani), minimele solare (Maunder, Spörer, Wolf).

Dacă Lorenz și celebrul său efect fluture ocupă multe pagini din carte, fizicianul și modelatorul climatic Tim Palmer nu menționează – surprinzător – efectul Hawkmoth – o reprezentare a instabilității structurale în sistemele dinamice (sensibilitate la structura matematică a unui model), spre deosebire de efectul celebru, care descrie instabilitatea dinamică (sensibilitate la condițiile inițiale). Pe scurt, efectul Hawkmoth explică de ce, pentru sisteme complexe și non0liniare, precum vremea și clima, mici erori de modelare pot produce mari erori ale predicțiilor, chiar și pentru intervale de timp scurte. Sau, mai simplu spus, poți fi arbitrar de aproape de ecuațiile corecte (structura modelului), dar tot nu ești aproape de soluțiile corecte (traiectoriile viitoare).[5]

Acceptând posibilitatea că modelele climatice sunt, în parte, greșite, Palmer atrage atenția:

În măsura în care știința schimbării climei se ocupă cu estimarea probabilităților diferitelor niveluri de schimbare climatică, este neștiințific să afirmăm că ne îndreptăm spre un maximalism climatic sau spre un minimalism climatic, sau chiar spre un punct intermediar specific.

Adoptarea unei poziții specifice – minimalistă, maximalistă sau, într-adevăr, orice punct intermediar – este pur și simplu incompatibilă cu știința.

Apreciez această poziție de ne-implicare a științei în treburile politice. Spre cinstea lui, Palmer nu menționează niciodată energiile colorate în verde sau regenerabile. În disputa dintre „Știința a vorbit, ascultați ce spune știința!” și cei care cred că știința începe și continuă cu „Dubito, ergo cogito”, Palmer se limitează să o citeze pe geofiziciana germană Sabine Hossenfelder: Știința nu spune să nu faceți pipi pe liniile electrice feroviare de înaltă tensiune. Știința spune doar că urina este un bun conducător de electricitate.