Spesso nel cercare di parlare di scienza in modo immediatamente comprensibile si fa uso di metafore, di figure retoriche o di citazioni importanti. L'intento è quello di richiamare idee e concetti in modo sintetico, senza appesantire troppo. In generale non è una cosa negativa a parte il fatto che si può incappare in una comunicazione "per slogan" che ha il brutto difetto di portare a dimenticare i concetti che dovrebbero illustrare, a non coglierne i significati importanti o addirittura a non focalizzarli mai correttamente. Un esempio banale è quello che racconta gli esseri viventi come impegnati quotidianamente nella "lotta per la sopravvivenza". Con questa espressione dovremmo poter percepire l'idea di fondo della teoria dell'evoluzione ma questo slogan non ci arriva neppure vicino, non le rende merito, non comunica le idee di fondo della teoria, ne falsa la percezione e finisce per essere un'immagine retorica fuorviante.
Quello che vorrei analizzare meglio in questo post è il cosiddetto Effetto farfalla. Si tratta di una cosa del tipo "il battito delle ali di una farfalla in sud-america può scatenare un uragano in nord-america". E' la citazione che viene spesso fatta per rappresentare il concetto di caos, un aspetto della natura diventato noto al grande pubblico con il romanzo Jurassic Park (1990) e l'omonimo film (1993), e di più e meglio con il saggio di un certo successo intitolato appunto Caos. La nascita di una nuova scienza di James Gleick (1989). Quest'ultimo libro mi pare che inizi proprio citando l'effetto farfalla. Certamente l'immagine è molto suggestiva ma dietro ci si può immaginare quasi qualsiasi cosa, difficilmente consente di focalizzare un concetto, che pure è molto preciso. Se pretendo di capire qualcosa leggendo solo questa metafora non vado certo molto lontano, sebbene nei casi più drammatici potrei anche pensare di aver capito quello che serve.
E' possibile dare questo concetto in maniera abbastanza precisa senza entrare in particolari specialistici, difficili da seguire e considerabili anche legittimamente noiosi, ma andando però anche oltre una metafora forse altrettanto incomprensibile come quella della farfalla? Ovviamente si, e chiunque sia armato di una sana curiosità e di un certo impegno lo può fare tranquillamente da solo. Io cerco di spiegarlo qui nel modo più sintetico possibile (per me è un esercizio).
Supponiamo di considerare il moto di un proiettile. Le formule della dinamica classica ci permetterebbero di calcolare la sua traiettoria in modo preciso e univoco, una volta conosciute le sue condizioni di partenza. C'è però un aspetto interessante che può essere facilmente intuito e accettato senza fare calcoli. Se io cambio di poco l'angolo della gittata o la velocità di partenza la traiettoria finale del proiettile cambierà anch'essa di poco. Quindi se faccio un piccolo errore nel valutare le condizioni di partenza questo errore me lo porterò appresso nel calcolo della traiettoria ma la sua influenza sarà contenuta, il proiettile cascherà comunque abbastanza vicino al punto calcolato. Questo fatto, apparentemente innocuo, è cruciale per la nostra capacità di prevedere i fenomeni prima che avvengano, perché nel misurare o predisporre le condizioni iniziali di un sistema commetterò sempre un certo errore, è inevitabile. Posso però confidare nel fatto che piccoli errori porteranno piccole conseguenze nell'evoluzione futura del sistema.
Ma è sempre così? Consideriamo un altro sistema dinamico intuitivo e piuttosto familiare: il biliardo. Come nel caso del proiettile, anche in questo si potrebbero usare le formule della dinamica classica per calcolare con esattezza la traiettoria di una palla colpita dall'asta del giocatore. Ma la differenza importante in questo caso è che se faccio un piccolo errore nel colpire la palla e quindi nel non dare ad essa il giusto angolo di partenza o la giusta velocità, le successive riflessioni sui bordi del tavolo e gli urti con le altre palle non faranno che aumentare la discrepanza tra dove mi aspettavo di mandare la pallina e dove andrà veramente. Quindi se aspetto un tempo sufficiente, nonostante abbia fatto un piccolo errore iniziale nell'imprimere alla palla il giusto angolo di partenza o la giusta velocità, la sua posizione finale dopo un certo numero di riflessioni sui bordi e di urti con le altre palle potrebbe non aver più niente a che fare con quella prevista. Questo fatto compromette gravemente la mia capacità previsionale sul sistema.
E la farfalla della metafora iniziale? Lei non è altro che lo spostamento d'aria che io non ho potuto tenere in considerazione nei miei calcoli e che quindi determina un piccolo errore nella valutazione delle condizioni iniziali di un sistema dinamico, in questo caso l'atmosfera terrestre, che dal punto di vista qualitativo si comporta in maniera simile al biliardo. L'errore nel non aver considerato il battere delle ali della farfalla si amplificherà su tempi lunghi e determinerà un'evoluzione completamente diversa da quella calcolata e dunque del tutto imprevedibile, tanto da poter determinare un fenomeno anche molto importante, come un uragano, del tutto assente nei miei calcoli, cioè nelle mie previsioni.
Tutto qui. Ma per dare un respiro più ampio all'argomento (che lo merita) aggiungo queste ultime considerazioni riassuntive.
I sistemi che mostrano comportamenti del genere (biliardo, atmosfera terrestre) si dicono caotici e il fenomeno in generale si chiama Caos. Si tratta di un comportamento estremamente diffuso in molti sistemi dinamici, tanto da essere classificato come un "fatto di natura" la cui importanza ha aperto letteralmente filoni di ricerca scientifica, spesso di tipo interdisciplinare. La cosa altrettanto importante è che i sistemi che esibiscono questo comportamento si dicono anche deterministici, perché data una ben precisa condizione di partenza, hanno un'evoluzione dinamica che può essere perfettamente calcolata, cioè i loro stati futuri sono perfettamente e univocamente determinati. Per questo il comportamento descritto viene più esattamente chiamato caos deterministico (da notare l'apparente contraddizione dei termini) e la cosa notevole è che regole o leggi perfettamente deterministiche possano produrre un moto completamente caotico e assolutamente imprevedibile. L'imprevedibilità è sinonimo di casualità, ma in questo caso a mostrare un comportamento "casuale" è un sistema perfettamente deterministico.
La caratteristica fondamentale di questi sistemi è la dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali, ed è questo a "simulare" un evento casuale. Per dirla come la notò la prima volta Henri Poincaré "Una causa piccolissima che sfugge alla nostra attenzione determina un effetto considerevole che non possiamo mancare di vedere, e allora diciamo che l’effetto è dovuto al caso. […] Può accadere che piccole differenze nelle condizioni iniziali ne producano di grandissime nei fenomeni finali. Un piccolo errore nelle prime produce un errore enorme nei secondi. La previsione diventa impossibile e si ha un fenomeno fortuito".
La spiacevole conseguenza di tutto ciò è l'intrinseca imprevedibilità dell'evoluzione su lunghi tempi di molti sistemi dinamici. Il determinismo, quindi, non implica la predicibilità e questo in un certo senso significa che il rigore delle leggi fisiche non è in contraddizione con la contingenza dei fatti della vita quotidiana.