¿Por qué es tan difícil predecir, o estimar, hacia dónde evoluciona el clima?
Sabemos que estamos dentro de un cambio climático, sabemos con bastante seguridad que la concentración de CO2 en la Tierra aumenta cada año, y que lo mismo hace la temperatura media global, aunque esta con mayores fluctuaciones.
¿Por qué la subida de CO2 es constante mientras que la de la temperatura sube y baja? ¿Por qué no podemos predecir el cambio climático, fuera de unas estimaciones muy imprecisas?
La física se ha concentrado hasta el momento en los sistemas simples, no complejos, hasta el punto de que el modelo que los físicos teóricos han elevado a los altares, el “modelo estándar”, es un modelo de partículas individuales, cuando llega a las partículas, o un modelo de campos sin masa, simétricos bajo la acción de ciertos grupos de simetría.
Pero en la naturaleza no existen los cuerpos aislados. De hecho la ciencia de la naturaleza es la ciencia de la interacción.
Incluso cuando podemos aislar un único átomo, para hacerlo lo tenemos que contener dentro de un aparato con trillones de otros átomos, todos ellos enviando y recibiendo campos electromagnéticos que, si quizás son débiles en promedio, no lo son en sus detalles individuales, además de que, para mantener el átomo inmovilizado, se precisa someterlo a radiación, generalmente de rayos laser, en lo que se denomina “pinzas ópticas”. Es decir, interacción.
Deriva esto, posiblemente, de la insistencia en los libros de texto en los cuales los físicos aprenden su disciplina, en los conceptos de “la partícula aislada”, “el oscilador armónico”, y otros similares, incluso al nivel de mecánica cuántica.
Se promete a los estudiantes que “más tarde” ya verán otros sistemas más complejos, pero la promesa parece política, es decir, sin la mínima garantía de cumplimiento.
Un sistema complejo es aquel que está compuesto por múltiples partes o subsistemas, similares o, en general, distintos, que interaccionan entre sí con fuerzas de escalas diferentes, y con parámetros dispares entre ellos.
El mejor ejemplo es el sistema climático, que describiré luego. Pero incluso con sistemas formados por subsistemas simples, como 3, 4 o 5 cuerpos estelares de masas disimilares, péndulos de longitudes no conmensurables acoplados entre sí, directamente o colgados de un cable tenso, y otros parecidos, incluso con estos sistemas, cuyas ecuaciones son perfectamente conocidas desde hace siglos, los movimientos no son predecibles en detalle: Son sistemas complejos.
El sistema complejo más sencillo de entre los posibles es uno que cualquier lector puede realizar en su casa: Un par de varillas de madera de longitudes distintas, mejor si no son múltiplos enteros una de la otra, con un par de agujeros en cada extremo. Una de ellas se cuelga de la otra mediante un perno liso, y ambas se cuelgan de un clavo en la pared, o cualquier otro dispositivo que las permita oscilar. Sus oscilaciones son caóticas y no invertibles en el tiempo.
O una bandeja plana con más de dos canicas de distintos diámetros, agitada siempre de manera regular. Las canicas (o esferas de acero si se dispone de ellas) realizan un movimiento caótico no invertible en el tiempo, aunque la agitación (horizontal) sea siempre la misma.
Sistemas complejos de características medias son los fluidos. Un fluido en una tubería se comporta de una manera predecible si la tubería es estrecha y/o la velocidad es baja. Cuando crece una de estas dos cosas o ambas, el movimiento del fluido se convierte en impredecible: El flujo pasa de laminar (en láminas paralelas) a turbulento: En vórtices interactuantes como los péndulos acoplados o las canicas en la bandeja.
El sistema climático está al otro lado de los sistemas complejos elementales.
Está formado por muchos subsistemas: Atmósfera, océano, tierras emergidas con sus relieves, vegetación, radiación solar entrante y radiación de infrarrojos de la Tierra saliente, y el ser humano. Cada uno de ellos se mueve con escalas espaciales y temporales muy diferentes entre sí. Por ejemplo, la atmósfera no tiene barreras horizontales, mientras que sí las tienen los océanos. La escala de tiempo de la atmósfera varía entre unos minutos y unos 5 días mientras que la del océano varía entre meses y décadas. La vegetación de las tierras emergidas tiene escalas de años y los continentes se mueven en escalas de tiempo de miles a millones de años. En cambio los humanos hemos cambiado el clima de la Tierra, localmente en escala de siglos, y actualmente, de décadas.
¿Cómo podemos entender este sistema tan complejo de subsistemas interactuantes?
La mejor manera es dejar evolucionar cada uno de los subsistemas e introducir la interacción, y la interacción tiene que ser en los dos sentidos, es decir, analizar sistemas acoplados y realimentados. Por ejemplo, el océano se calienta al recibir la radiación solar, y su superficie caliente produce convección y vientos en el aire que al rozar con la superficie del agua mueven ésta produciendo corrientes oceánicas que transportan la energía de unos puntos a otros del globo, produciendo convección y recibiendo el viento.
Ahora bien, los fluidos tienen ecuaciones no lineales, y dos fluidos con reglamentaciones generan aún más no linealidad.
¿Qué es esto de la no linealidad?
Un sistema lineal es uno en el cual si se duplican las causas, se duplican los efectos. Un sistema no lineal es otro en el cual una duplicación de causas puede llevar a una multiplicaciones de los efectos por cualquier coeficiente, desde menores de uno a millones.
En español hay un dicho para retratar los sistemas no lineales: “El rico se hace más rico y el pobre, cada vez más pobre”.
En las épocas de crisis, el que tiene riqueza puede comprar a los que lo necesitan sus fincas, sus casas, sus herramientas de trabajo. De esta manera el rico cada vez adquiere más riqueza, y el pobre pierde lo que tenía.
El sistema económico, como casi todos los sistemas humanos y naturales, es no lineal.
En los sistemas no lineales los coeficientes llevan a multiplicar los efectos por valores mayores que uno, crecen no solo los efectos de las causas, sino las fluctuaciones de esos efectos alrededor de las medias. De esta manera llega un momento en el cual las fluctuaciones son tan grandes que invalidan cualquier predicción exacta.
Por otro lado, si los efectos crecen, llegan a unos valores que rompen el sistema: El mejor ejemplo ha sido la crisis en España, en la cual se compraban casas no para habitarlas, sino para venderlas. En un cierto momento los precios siempre crecientes impidieron seguir vendiendo casas, y colapsó todo el sistema económico. Posiblemente no se pudo predecir porque los modelos matemáticos económicos son lineales, y no representan la realidad.
Un ejemplo de no linealidad y reglamentación lo tenemos en el subsiste del hielo en el sistema climático. El hielo tiene un muy alto albedo, es decir, refleja casi toda la luz que recibe. Al estar el suelo, y el mar, cubiertos de hielo en las latitudes altas, no se calientan.
Pero si la superficie se empieza a deshelar, el suelo y el agua, en verano, retienen calor. Al llegar el invierno se deposita sobre esa superficie una capa de hielo. Éste es muy aislante (los iglúes de los esquimales) y la superficie retiene el calor. Al deshelarse en el verano siguiente, el suelo, y el agua, están aún calientes, y se calientan más y el calentamiento se extiende a superficies adyacentes, de manera que la zona deshelada crece mucho más deprisa. Al mismo tiempo, al no reflejar la luz, aumenta la temperatura del aire, que a su vez calienta otras zonas con hielo que aumentan la temperatura del aire que …
El sistema se dispara.
Este es el comportamiento general de los sistemas complejos. De hecho no tiene nada que ver con el de los sistemas simples, que, sin embargo, son los que, por lo general, se estudian.
Dado que los sistemas complejos fluctúan y tienen tendencia a explotar, ¿cómo estudiarlos?.
Como en la mecánica cuántica, que es un sistema totalmente estadístico, la manera de estudiar los sistemas complejos es utilizar las herramientas de la estadística, valores medios, fluctuaciones, y sobre todo, probabilidades y amplitudes de probabilidad.
Es preciso que nos adaptemos a esta nueva forma de pensar, de ver el mundo. Los sistemas simples, deterministas, sin fluctuaciones estocásticas son muy malas aproximaciones a la realidad. Ésta es compleja, no lineal y fluctuante, y tenemos que trabajar en nuestra vida con probabilidades en vez de con certidumbres.
Se puede hacer, pues la naturaleza (y en ella plantas y animales) lo hace sin problemas. Y es una visión mucho más libre del mundo que el rígido, y falso, determinismo.