martes, 24 de marzo de 2009

Teoria de las estructuras disipativas

En su obra "¿Tan Sólo una Ilusión?", Prigogine define las estructuras disipativas:
"... la formación de «estructuras disipativas» en condiciones muy alejadas del equilibrio, y en el que la estructura surge a partir del caos térmico, del azar molecular... cuando nos apartamos mucho de las condiciones de no equilibrio, se originan nuevos estados en la materia. Llamo a estos casos «estructuras disipativas», porque presentan estructura y coherencia, y su mantenimiento implica una disipación de energía ."

"El caos está en el origen de la vida y de la inteligencia"
IIya Prigogine


La investigación central de Ilya Prigogine giró en torno a la expansión de la termodinámica clásica y al estudio de los procesos irreversibles con la teoría de las estructuras disipativas, con proyecciones epistemológicas que trascendieron al campo filosófico en los planos de la percepción y la construcción de la realidad. La preocupación científica de Prigogine aflora ya en sus primeros trabajos y hace referencia a la incertidumbre que mueve a buscar las bases constructivas del futuro. Más allá de una concepción determinista del porvenir, parte de una convicción constructivista, que no sólo se refiere al plano de la realidad cósmica, sino que traslada a la realidad social como una construcción dinámica.

Prigogine entiende que la edad de la certidumbre y la racionalidad pertenece a una cosmovisión y a unos paradigmas superados. Sus obras, con títulos como "El fin de las certidumbres", suponen una ruptura de la linealidad del devenir, el determinismo de las direcciones del tiempo... Partiendo de la incertidumbre, el futuro esta abierta a la creatividad constructiva, a las bifurcaciones que descubre que no hay una dirección única en la construcción de la realidad. Es el desorden creador en el escenario de una "nueva alianza", donde, liberada del determinismo, la ciencia une al hombre con la naturaleza y su lógica probabilista.

Este interesante químico es uno de los argumentadores de la teoría del caos y del orden subsiguiente al caos, de las estructuras disipativas que afloran en los procesos de autoorganización. Sostiene que el caos está en el origen de la vida y de la inteligencia, de modo que son la inestabilidad y el caos las bases constructivas del orden. Frente a lo cierto, Prigogine formula una nueva dimensión sistémica a partir de la complejidad, el no equilibrio, lo posible y lo probable . ¡Que interesante!


El tema principal del trabajo científico de Ilya Prigogine ha sido la mejor comprensión del papel que juega el tiempo en las Ciencias Físicas y la Biología. Ha contribuido significativamente al entendimiento de los procesos irreversibles, particularmente en sistemas no equilibrados. Los resultados de su trabajo en estructuras disipativas han estimulado a muchos científicos de todo el mundo y pueden haber tenido importantes consecuencias para nuestra comprensión de los sistemas biológicos.

La teoría de las estructuras disipativas (o termodinámica de procesos irreversibles), formulada por Iya Prigogine, postula la aparición de nuevas estructuras debido a pequeños cambios en sistemas complejos muy alejados del equilibrio, lo que desemboca en un proceso irreversible. A partir de ahí, lo único que ocurre es la degradación de esa energía.

Introducción al concepto de estructura disipativa

Se dice que un sistema es disipativo si su energía se degrada en forma de calor, que en parte no es transformable en otras formas de energía menos degradada. Una estructura es disipativa en la medida que ayuda a los mecanismos disipativos.
Según la clásica segunda ley de la termodinámica, un sistema aislado ha de ir perdiendo (disipando) toda la energía libre que posee con lo cual su entropía se maximiza. Un sistema en equilibrio térmico ya no disipa más y se halla en un estado de máxima entropía. Si un sistema se halla en las cercanías del equilibrio, sus tendencias espontáneas e irreversibles lo son hacia el equilibrio. La fuerza impulsora es la de producir entropía.
Por definición, en el equilibrio ya no puede producir más entropía (principio de la mínima producción de entropía).
Pero no abundan los sistemas aislados, por lo cual puede haber sistemas alejados del equilibrio (como el planeta iluminado o el cerebro con nutrimentos) que no pueden llegar a él - aunque lo buscan espontáneamente - porque mientras tanto siguen recibiendo aportes de energía externa (el sol, la glucosa en sangre).
Con esos aportes las ecuaciones diferenciales descriptivas de la dinámica, ya no son más lineales. No están en el equilibrio sino en el desequilibrio.

Como hay sistemas disipativos con estructuras, es lícito llamarlas, con Prigogine, "estructuras disipativas", aunque a primera vista su estudio parezca poco interesante. Pero hay algo muy real: las condiciones "lejos del equilibrio" o "en el desequilibrio" implican leyes no-lineales.
Toda la física interesante en nuestro universo es no-lineal


Se deduce que lo que recién parecía poco interesante sería una afirmación apresurada.

La única regla general para las ecuaciones diferenciales no-lineales es que no hay reglas generales. El caos es una posibilidad, como también la presencia de atractores, repulsores, bifurcaciones, autoorganizaciones.

Lo que afirma Prigogine es que aunque no halló para esta rama de la física incorporada a la mecánica estadística, una nueva constante universal, por lo menos ha encontrado una desigualdad matemática, un "criterio de evolución universal". Así como hay transiciones de fase en la física lineal, con roturas de simetría, muy cercanas al equilibrio (como el hielo que se funde), también las hay en la física no-lineal donde las estructuras disipativas se vuelven inestables y tienden a veces hacia patrones de organización coherente que minimizan la energía libre y disminuyen los grados de libertad.

"Cuando yo era joven, mis profesores se alegraban de demostrar que un problema matemático dado admitía sólo una solución. Era el summum de la belleza matemática. En el curso de mi carrera he consagrado mucho tiempo a demostrar a mis alumnos que hay muchos problemas que admiten más de una solución".

"En el fondo, las diferentes culturas, pongamos la civilización tradicional china y la civilización europea, siguieron caminos diferentes. Hoy tenemos una visión muy diferente de la visión antigua, reductora, en la que se decía: 'Existe una sola dirección asignada la progreso de la civilización'; ahora comprendemos que hay muchas maneras de ser civilizados. Uno de los problemas capitales de la política, diría yo, mundial, es la confrontación de culturas, la comparación y el mantenimiento de la diversidad, sin olvidar insistir también sobre los elementos que nos unen a todos los hombres".


Prigogine propone que dentro de un sistema complejo no-lineal lejos del equilibrio existen subsistemas fluctuantes. De vez en cuando se combinan y amplifican las fluctuaciones y se disrrumpe la estructura previa, ocasión en la cual aparece una bifurcación, un punto de bifurcación. La teoría no puede predecir, por adelantado, si el resultado será una estructura de dinámica caótica o una estructura autoorganizada con un orden "superior", un "orden por fluctuaciones". En este último caso, como la estructura necesita de energía externa para seguir organizada, es aceptable llamarla "estructura disipativa", puesto que necesita más energía externa que la estructura no-disipativa (más simple) previa reemplazada. Tiene un límite para su evolución y es la falta de capacidad para eliminar más y más calor. Los seres vivientes funcionan como sistemas disipativos, autoorganizados por fluctuaciones ambientales.

Los sistemas que captan información en forma de flujo de datos y que perciben regularidades en el mismo, tratando el resto del material como aleatorio, se denominan sistemas complejos adaptativos. El organismo humano es un sistema adaptativo complejo, y su estructura y funcionamiento corresponden a un sistema caótico.

Los seres vivos combinan la estabilidad de la estructura con la fluidez del cambio, lo cual permite su desarrollo, reproducción y evolución. Son «estructuras abiertas», estructuras disipativas, que dependen de flujos continuos de energía y recursos.
F. Capra resume así la teoría de las estructuras disipativas planteada por Ilya Prigogine:

"La comprensión de las estructuras como sistemas abiertos proporcionó una importante nueva perspectiva, pero no solucionó el rompecabezas de la coexistencia de estructura y cambio, de orden y disipación, hasta que Ilya Prigogine formuló su teoría de estructuras disipativas... La clave para entender las estructuras disipativas es comprender que se mantienen en un estado estable lejos del equilibrio... (Nota: aquí se refiere al equilibrio físico (termodinámico), no al equilibrio dinámico y funcional, homeostásico, de los organismos vivos). Un organismo vivo se caracteriza por un flujo y un cambio continuos en su metabolismo, comprendiendo miles de reacciones químicas. El equilibrio químico y térmico se da únicamente cuando estos procesos se detienen. En otras palabras, un organismo en equilibrio es un organismo muerto. Los organismos vivos se mantienen constantemente en un estado alejado del equilibrio, en el estado de vida. Siendo muy distinto del equilibrio, este estado es sin embargo estable a lo largo de períodos prolongados de tiempo, lo que significa que, como un remolino, se mantiene la misma estructura general a pesar del incesante flujo y cambio de componentes... Más lejos del equilibrio los flujos son más fuertes, la producción de entropía aumenta y el sistema ya no tiende al equilibrio. Bien al contrario, podrá encontrarse con inestabilidades que le conduzcan a nuevas formas de orden que alejarán al sistema más y más del estado de equilibrio. En otras palabras, lejos del equilibrio las estructuras disipativas pueden desarrollarse hacia formas de complejidad creciente... Prigogine enfatiza que las características de una estructura disipativa no pueden deducirse de las propiedades de sus partes, sino que son consecuencia de su «organización supramolecular». Aparecen correlaciones de largo alcance en el mismo punto de transición de equilibrio a no equilibrio, y a partir de este punto, el sistema se comporta como un todo... Cuanto más alejado del equilibrio está un sistema, mayor es su complejidad y más alto el grado de no-linealidad de las ecuaciones matemáticas que lo describen. La teoría de Prigogine demuestra que el comportamiento de una estructura disipativa alejada del equilibrio no sigue ninguna ley universal, sino que es exclusivo del sistema específico. Cerca del equilibrio, podemos encontrar fenómenos repetitivos y leyes universales. A medida que nos alejamos de él, nos desplazamos de lo universal a lo único, hacia la riqueza y la variedad. Esta, sin duda, es una característica bien conocida de la vida".


El método de la complejidad es fiel a sus postulados, porque ofrece más incertidumbre que estabilidad conceptual y determinismo sobre el futuro de los acontecimientos. En este sentido, Ilya Prigogine, con una gran influencia en los paradigmas científicos modernos, nos lleva a creer en el fin de las certezas absolutas y la imposibilidad de aprehender toda la realidad, porque vivimos en un universo abierto y en constante evolución, como plantea en su libro: “ El fin de la certeza absoluta. Tiempo, caos y las nuevas leyes de la naturaleza.”
Los sistemas complejos están formados por gran cantidad de componentes dinámicos, cuyas interacciones originan un comportamiento colectivo emergente, cualitativamente diferente de cada componente, y por ello, es difícil predecir su evolución futura más allá de un cierto horizonte temporal.



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