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1 de Marzo de 1991
Física

Criticalidad auto-organizada

Los macrosistemas interactivos evolucionan hacia un estado crítico, en el que un acontecimiento banal provoca una catástrofe. La criticalidad auto-organizada explica la dinámica de terremotos, mercados y ecosistemas.

La dinámica de los aludes admite una explicación sencilla en la teoría de la criticalidad autoorganizada. Según esta, las pilas de nieve y otros sistemas naturales evolucionan de manera espontánea hacia un estado crítico, en el que una pequeña perturbación puede provocar enormes cambios. Este marco teórico podría contribuir a mejorar la predicción de catástrofes. [Getty Images/ Lysogor/iStock]

En síntesis

Algunos sistemas formados por un gran número de constituyentes pueden evolucionar de manera espontánea hacia un estado crítico. Cuando eso ocurre, una pequeña perturbación puede provocar una reacción en cadena de proporciones gigantescas.

Los sistemas que se encuentran en un estado crítico autoorganizado se hallan a menudo al borde del caos. Aunque las incertidumbres crecen con el tiempo, lo hacen a un ritmo mucho más lento que un sistema caótico típico.

Existen signos de criticalidad autoorganizada en fenómenos naturales muy dispares, desde los movimientos sísmicos y la economía hasta el tráfico rodado o la dinámica de fluidos. El fenómeno podría explicar incluso algunos aspectos fundamentales de la vida y la evolución biológica.

Es típico que, al producirse una catástrofe, los analistas la atribuyan a una rara conjunción de circunstancias o a cierta combinación de poderosos mecanismos. Cuando San Francisco sufrió un tremendo seísmo, los geólogos ubicaron su origen en una inmensa zona inestable coincidente con la falla de San Andrés. Cuando el mercado de valores se vino abajo el Lunes Negro de 1987, los economistas culparon al efecto desestabilizador de la informatización y automatización de las transacciones. Cuando los registros fósiles revelaron la extinción en masa de los dinosaurios, los paleontólogos la atribuyeron al impacto de un meteorito o a la erupción de un volcán. Es posible que estas teorías sean correctas. Pero sistemas tan grandes y complicados como la corteza terrestre, el mercado de valores o un ecosistema no solo pueden romperse por los efectos de un golpe titánico, sino también por la caída de un alfiler. Los grandes sistemas interactivos se organizan perpetuamente a sí mismos hasta llegar a un estado crítico. Cuando eso ocurre, un acontecimiento menor puede causar una reacción en cadena capaz de producir la catástrofe.

En el pasado, los grandes sistemas interactivos se han analizado del mismo modo que los sistemas pequeños y ordenados. Esto se debía, sobre todo, al éxito de los métodos desarrollados para los sistemas reducidos. Se pensaba que el comportamiento de un gran sistema podía predecirse estudiando por separado sus elementos individuales y analizando sus mecanismos microscópicos. A falta de una teoría mejor, los investigadores dieron por hecho que la respuesta de un sistema de gran tamaño sería proporcional a la magnitud de la perturbación. Estaban convencidos de que su dinámica podía describirse en función de un estado de equilibrio, perturbado de vez en cuando por una fuerza exterior.

Sin embargo, hoy sabemos que muchos sistemas complicados y caóticos son refractarios al análisis tradicional. En 1987, uno de los autores de este artículo (Bak), Kurt A. Wiesenfeld y Chao Tang, del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en EE.UU., desarrollamos un nuevo marco para explicar el comportamiento de grandes sistemas, aquellos compuestos por millones y millones de elementos que interactúan a pequeña escala. A tal fin propusimos la teoría de la criticalidad autoorganizada. Según esta, muchos sistemas compuestos evolucionan de manera espontánea hacia un estado crítico: uno en el que un acontecimiento banal da inicio a una reacción en cadena capaz de afectar a un número cualquiera de constituyentes. Aunque los sistemas compuestos producen muchos más acontecimientos banales que catástrofes, las reacciones en cadena de todos los tamaños posibles constituyen una parte integral de su dinámica. Según nuestra teoría, el mecanismo que conduce a sucesos de poca entidad es el mismo que el que desencadena grandes acontecimientos.

La criticalidad autoorganizada es una teoría holística: las características globales, como el número relativo de sucesos grandes y pequeños, no dependen de los mecanismos microscópicos. Resulta imposible, pues, comprender las características globales del sistema analizando por separado las partes que lo componen. Hasta donde sabemos, la criticalidad autoorganizada es el único modelo o descripción matemática que ha dado pie a una teoría holística de los sistemas dinámicos.

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