Come la scienza può sconvolgere il senso comune

Guido Tascini

Può il battito d'ali di una farfalla provocare un uragano dall'altra parte del mondo?

Ecco un esempio di controintuitività della scienza: la teoria del caos.

Una teoria nata nell’ambito della sistemica, può divenire uno strumento applicativo utile in molti settori, dalla Medicina all’arte.
Si tratta di una teoria che studia comportamenti apparentemente caotici e vi individua delle informazioni intuitivamente insospettabili….
La teoria del caos è un settore della teoria matematica dei sistemi dinamici
Un sistema dinamico si dice caotico se presenta le seguenti caratteristiche:
Sensibilità alle condizioni iniziali, per cui a variazioni infinitesime delle condizioni al contorno (degli ingressi) corrispondono variazioni finite in uscita.
esempio: il fumo di più fiammiferi accesi in condizioni macroscopicamente molto simili (pressione, temperatura, correnti d'aria) segue traiettorie di volta in volta molto differenti.
Imprevedibilità, per cui non si può prevedere l'andamento del sistema in anticipo.
Le orbite nello spazio delle fasi restano confinate, cioè il sistema non evolve verso l'infinito per nessuna variabile. La rappresentazione di questo comportamento dà luogo a particolari forme, dette Attrattori.
Una caratteristica tipica di un sistema caotico, che pure è deterministico e non probabilistico, è la impredicibilità apparente delle traiettorie del sistema. Le traiettorie non si possono prevedere per via della forte sensibilità alle condizioni iniziali: un piccolo errore nella conoscenza dello stato del sistema in un certo istante può provocare un errore anche grande nelle previsioni a medio e lungo termine.
Comportamenti caotici si incontrano in meteorologia, climatologia, fluidodinamica (turbolenza), teoria del laser, ecologia.
Numerose sono le discipline a cui si può applicare la teoria del caos; ad esempio: matematica, fisica, biologia, dinamica di popolazione, informatica, ingegneria, economia, finanza, filosofia, politica, psicologia, e robotica, studio medico dell'epilessia, economia.

Può il battito d'ali di una farfalla provocare un uragano dall'altra parte del mondo?
Il termine "Teoria del caos" ha colpito l'immaginario collettivo entrando a far parte della cultura pop, insieme all'"effetto farfalla". Nella grande maggioranza dei casi la teoria del caos nella cultura è rappresentata come negazione del determinismo e/o in relazione all'effetto farfalla. Questo (inteso come l'influenza di fatti minimi sul corso degli eventi) era già rappresentato in un racconto di Ray Bradbury, "Rumore di tuono", pubblicato nel 1952 e quindi antecedente alla teoria. Questo racconto viene da taluni ritenuto tra i "precursori". Un ulteriore rilevante riferimento letterario è poi il romanzo di Joyce Finnegans wake, per la creazione del neologismo caosmosi, concetto poi molto utilizzato nella filosofia contemporanea e estremamente interessante per la sua possibile funzionalizzazione teorica.
Effetto farfalla è una locuzione che racchiude in sé la nozione maggiormente tecnica di dipendenza sensibile alle condizioni iniziali, presente nella teoria del caos. L'idea è che piccole variazioni nelle condizioni iniziali producano grandi variazioni nel comportamento a lungo termine di un sistema.
L'espressione "Effetto farfalla" si ritiene in genere sia stata ispirata da uno dei più celebri racconti fantascientifici di Ray Bradbury: Rumore di tuono (A Sound of Thunder, in R is for Rocket) del 1952, in cui si immagina che nel futuro, grazie ad una macchina del tempo, vengano organizzati dei safari temporali per turisti. In una remota epoca preistorica un escursionista del futuro calpesta una farfalla e questo fatto provoca una catena di allucinanti conseguenze per la storia umana.
Alan Turing in un saggio del 1950, Macchine calcolatrici ed intelligenza, anticipò questo concetto: "Lo spostamento di un singolo elettrone per un miliardesimo di centimetro, a un momento dato, potrebbe significare la differenza tra due avvenimenti molto diversi, come l'uccisione di un uomo un anno dopo, a causa di una valanga, o la sua salvezza".
Esemplifichiamo con un ftto concreto: una persona, che deve prendere il treno, ritarda di appena due secondi e lo perde. Perdendolo, si verifica una serie di avvenimenti che la portano, facciamo l'ipotesi, a ritornare a casa delusa ed ad imbattersi casualmente nella donna della propria vita svoltando l'angolo. Se invece la persona fosse riuscita a prendere il treno, si sarebbe trovata da tutt'altra parte e non avrebbe conosciuto la propria anima gemella.
Una singola azione può determinare imprevedibilmente il futuro.
Nella metafora della farfalla si immagina che un semplice movimento di molecole d'aria generato dal battito d'ali di una farfalla possa causare una catena di movimenti di altre molecole fino all'uragano menzionato. Proprio come il ritardo di due secondi può incidere sulla vita personale di un individuo.
Edward Lorenz fu il primo ad analizzare l'effetto farfalla in uno scritto del 1963 preparato per la New York Academy of Sciences. Secondo tale documento, "Un meteorologo fece notare che se le teorie erano corrette, un battito delle ali di un gabbiano sarebbe stato sufficiente ad alterare il corso del clima per sempre." In discorsi e scritti successivi, Lorenz usò la più poetica farfalla, forse ispirato dal diagramma generato dagli attrattori di Lorenz, che somigliano proprio a tale insetto, o forse influenzato dai precedenti letterari ."Può il batter d'ali di una farfalla in Brasile provocare un tornado in Texas?" fu il titolo di una conferenza tenuta da Lorenz nel 1979.

Consideriamo come esempio i due attrattori di lorenz, disegnati in figura: il giallo differisce dal blu, nelle condizioni iniziali di solo 10-5 rispetto alla coordinata x.. Ebbene se andiamo a vedere le differenze tra le due traiettorie, notiamo che all’inizio sono coincidenti ma poi divergono e molto.
Se riportiamo le differenze in un’altra figura, vediamo che all’istante 23 si ha una brusca divergenza e le differenze poi aumentano notevolmente: tutto come conseguenza di quel piccolissimo scostamento di 10-5….!
Dal punto di vista matematico molti sistemi possono essere modellizzati con equazioni differenziali alle derivate parziali. Le soluzione di queste equazioni spesso utilizzano funzioni esponenziali e quindi anche una modesta variazione dei dati in ingresso si ripercuote sulla soluzione con un andamento esponenziale potendo quindi alterare in modo determinante l'andamento del modello in funzione del tempo.
La conseguenza pratica dell'effetto farfalla è che i sistemi complessi, come il clima o il mercato azionario, sono difficili da prevedere su una scala di tempo utile. Questo perché ogni modello finito che tenti di simulare un sistema, deve necessariamente eliminare alcune informazioni sulle condizioni iniziali — ad esempio, quando si simula il tempo atmosferico, non è possibile includere anche lo spostamento d'aria causato da ogni singola farfalla. In un sistema caotico, questi errori di approssimazione tendono ad aumentare via via che la simulazione procede nel tempo e, al limite, l'errore residuo nella simulazione supera il risultato stesso. In questi casi, in sostanza, le previsioni di una simulazione non sono più attendibili se spinte oltre una certa soglia di tempo.
Per renderci conto di quanto la teoria del caos abbia influenzato la cultura attuale basta guardare alle opere ispirate da questa:
film, come ad esempio Jurassic Park del 1993, Π - Il teorema del delirio, 1998 , The Butterfly Effect, 2004, Match Point, 2005 , Chaos, 2007, The Oxford Murders - Teorema di un delitto, 2008.
Opere di narrativa, come Finnegans wak (romanzo) di James Joyce , Jurassic Park e Il mondo perduto (The Lost World) di Michael Crichton, Uomini vuoti di Dan Simmons, o la Sindrome di Wolverton di Alan D. Altieri.
La teoria del caos ha ispirato anche opere teatrali e fumetti.

Come esempio significativo descriviamo il film The Butterfly Effect, lEffetto Farfalla. E’ un film di fantascienza diretto da Eric Bresson e J. Mackye e J. Mackye Gruber.
Narra delle vicende di Evan alle prese con un potere particolare che gli permette di modificare eventi chiave accadutigli nel tempo, modificando quindi il presente del momento in cui decide di cambiare il passato. Il titolo del film e il tema principale si riferiscono direttamente all'Effetto farfalla, per cui, ad esempio, il semplice battito d'ali di una farfalla riuscirebbe a modificare il clima fin dall'altra parte del globo terrestre.
Trama
Evan è un ragazzo di periferia che ha avuto particolari problemi durante l'infanzia e che ha ereditato da suo padre un disturbo della psiche che gli provoca dei vuoti di memoria che neanche con la psicanalisi riesce a risolvere. Il dottore allora gli chiede di tenere dei diari in cui annotare tutto quello che accade durante la giornata, nel tentativo di sviluppare la sua memoria.
Crescendo Evan scopre però che grazie alla lettura di questi diari riesce a tornare indietro nel tempo momentaneamente: in questo modo rivive ciò che ha dimenticato e può intervenire per modificare gli eventi futuri. Ma qualsiasi cosa faccia provoca sempre delle conseguenze inaspettate.
Così facendo Evan si ritrova a balzare fra vite diverse, accumulando così decenni di ricordi che producono continue emorragie e ipertrofia delle zone cerebrali deputate alla memoria. Fino al momento in cui, in una di queste vite, rimarrà privo dei diari che gli consentono di tornare al passato.



Arte e Complessita’. Influenza della Scienza sull’Arte

Esistono sistemi complessi che hanno solleticato il mondo dell’arte. Ad esempio i Frattali di Mandelbroth: leggi semplici possono generare complessità inimmaginabili. Ne è un esempio il Fiore di Mandelbroth ottenuto con una semplice legge.

Un altro esempio è la composizione Violin Dance in cui un sistema caotico viene descritto con la densità dell’attrattore (probabilità che il sistema passi per una data zona dello spazio di stato). Con un sistema semplice si sono ottenute forme complesse che ricordano le forme dei cubisti.

Esistono aree della scienza contemporanea che sconvolgono il modo comune di guardare alla realtà di tutti i giorni?
Sono molti gli aspetti della cultura scientifica che influenzano in modo forte il giudizio su aspetti della vita attuali.

Basti pensare all’ Evoluzionismo, alle origini della vita e a quelle dell’universo. Ai robot, oppure all’uomo bionico, alla coscienza artificiale.
Ma su tale influenza gioca un ruolo importante la cultura di base degli uomini e le loro culture specifiche. Una buona lettura epistemologica della scienza, richiede una certa dimestichezza con la cultura scientifica.
E non sempre il senso comune è in grado di afferrare nella sua essenza ciò che bolle nella pentola della scienza.

Ma qui vogliamo soffermarci sulla penetrazione nell’immaginario collettivo di concetti originati nell’ambito della Cibernetica e dell’Intelligenza Artificiale.
Sono due le domandi importanti che la cultura comune si pone, derivate dalle aree scientifiche appena menzionate.

La prima è: la macchina intelligente, il robot, sarà mai in grado di acquistare coscienza di sé?

La seconda è: la vita come la conosciamo oggi è figlia del caso ed è escluso qualunque intervento superiore che possa averne guidato l’evoluzione?

Il termine cibernetica deriva dal greco Κυβερνήτης (kybernetes, ossia nocchiero) e rappresenta un ampio campo di studi.

Fondata da Norbert Wiener come “lo studio del controllo e della comunicazione negli animali e nelle macchine”, ha fatto fin qui molta strada. Tant’è vero che Louis Kauffman, Presidente dell’ American Society for Cybernetics, la definisce “ lo studio di sistemi e processi che interagiscono con se stessi e producono se stessi da se stessi”.
La cibernetica interviene nello studio di svariate discipline, quali:
Intelligenza Artificiale, Robotica, Computer Vision, Sistemi di Controllo, Emergenza, Cibernetica del secondo ordine e altro ancora.

In Biologia la Cibernetica studia i sistemi cibernetici presenti negli organismi biologici, ad esempio le modalità di adattamento degli animali al loro ambiente e come l’informazione viene passata da una generazione all’altra attraverso i “geni” dei cromosomi.
E’ questo il contesto in cui trovano spazio anche i cosiddetti Cyborgs: organismi cibernetici, cioè organismi che sono in parte sistemi naturali e in parte sistemi artificiali.

Nel libro di D. S. Halacy, del 1965: Cyborg: Evolution of the Superman la prefazione di Clynes (che coniò il termine cyborg) parlava di “ ponte…tra mente e materia”. In sostanza si tracciava la strada verso il superman cibernetico!
A questo punto cerchiamo di rispondere alla prima domanda, che formulamo così:

Riuscirà la Cibernetica a costruire una coscienza artificiale?

E’ in una visione di superuomo che trova la sua collocazione la Cibernetica, o in un ruolo subordinato alle necessità dell’uomo, in cui le applicazioni cibernetiche sopperiscono a molti handicap dell’uomo, o meglio ancora forniscono all’uomo abilità altrimenti inimmaginabili?

La visione del superuomo ha avuto un rinforzo nelle posizioni di alcuni scienziati, che recentemente hanno affacciato l’ipotesi che la macchina possa giungere all’autocoscienza e, in tal modo, avviarsi verso il “libero arbitrio”, che da sempre costituisce qualità precipuamente umana.
Due anni dopo la pubblicazione del testo di Cibernetica di Norbert Wiener Isaac Asimov pubblicò il suo romanzo di fantascienza: Io Robot.
In esso Asimov trattava la tematica della coscienza, della consapevolezza di sè, attraverso il confronto tra la coscienza di un essere umano, la psicologa Susan Calvin, ed esseri artificiali coscienti (non biologici). Molti ricercatori e visionari hanno vissuto, in passato, nella malcelata speranza di dare una coscienza a un ammasso di valvole termoioniche e successivamente di dispositivi al silicio. Proprio come i robot di Asimov erano “consapevoli” di esistere in una «spugna di platino iridio, che gli stessi costruttori non sapevano bene come funzionasse».
Allo stato attuale esistono degli scienziati che pensano di studiare sperimentalmente il problema della coscienza.
Alcuni scienziati sostengono che giungere a progettare una “coscienza artificiale” è solo questione di tempo…
Come ad esempio Roger Penrose, Gerard Edelmann e Francis Crick.
L’esperienza empirica ci mostra che la capacità del cervello di produrre la coscienza è legato alla sua capacità di determinare un soggetto unitario, in grado di fare esperienza di se stesso e del mondo circostante; deve dare significato in modo intenzionale, cioè finalizzato, agli eventi esterni, passati e futuri; deve essere in grado di produrre motivazioni e fini, valori soggettivi e sensazioni.
Ma coscienza vuol dire intenzionalità, capacità cioè di dirigersi verso un fine, come è stato indicato da numerosi autori, pur con accezioni diversissime e talora anche contrastanti
(Agazzi, 1981; Brentano, 1874; Dennett, 1969, 1987; Fodor, 1987; Searle, 1983, 1992).
E’ questo il modello di coscienza che ha indotto i ricercatori di coscienza artificiale alla realizzazione di un agente intenzionale, in grado di finalizzare autonomamente i propri comportamenti.
Le prime realizzazioni di Gerard Edelman (Edelman, 1987; Edelman &
Mountcastle, 1978), vanno in questa direzione, anche se successivamente sono confluite direttamente nello studio della coscienza tout court (Edelman & Tononi, 2000).
I robot intenzionali di Edelmann, i Nomad e i Darwin, si scontravano contro il modello oggettivista della realtà sostenuto da generazioni di studiosi: mancava una teoria della coscienza e quindi dell’intenzionalità accettata da tutti.
Rimane però aperta, come una spada di Damocle, la domanda non secondaria:
quali sono le correlazioni tra sistema di neuroni e coscienza: sia nel campo biologico che in quello artificiale?.

Termini, quali soggetto, intenzionalità, rappresentazione, in migliaia di anni di storia del pensiero umano, si sono caricati di significati così diversi e articolati che non sono ammesse scorciatoie o superficiali tentativi di semplificazione: tutti se ne accorgerebbero!
Comunque un fatto è incontestabile: la scienza, allo stadio attuale, non ha la minima idea di come sia possibile che un sistema fisico (un cervello, un sistema nervoso, un insieme di neuroni) possa produrre quell’insieme tutto da chiarire di fenomeni che corrispondono alla nostra esperienza cosciente.
E in questo modo abbiamo tentato di rispondere alla prima domanda. Per il momento non c’è una evidenza scientifica che si possa chiamare coscienza artificiale. Questa la risposta senza concessioni o sbavature attaccabili sul piano del ‘metodo scientifico’, come lo abbiamo illustrato in precedenza.
Se poi vogliamo fare delle considerazioni di tipo culturale in senso lato possiamo anche dire il nostro punto di vista che, a questo livello delle conoscenze, ha lo stesso diritto di asilo di tanti altri.
L’esperienza cosciente della persona umana, oltre che usare il sistema fisico (cervello, sistema nervoso, neuroni vari) possiede probabilmente un componente, che non ha trovato la sua rappresentazione scientifica, e che per il momento è difficilmente connettibile ad un insieme di neuroni: ciò che i filosofi chiamano ‘Spirito’.

Vediamo ora di rispondere alla seconda domanda, che formuliamo così:

la vita come la conosciamo oggi è figlia del caso ed è escluso qualunque intervento esterno, o superiore, che possa averne guidato l’evoluzione?

Ci chiediamo in sostanza se noi tutti siamo davvero figli del caso.
Secondo Monod la vita su questa terra sarebbe proprio figlia del caso.
Ma qualcosa comincia a essere rivisto in questa teoria da alcuni scienziati: in pratica è sotto osservazione il nodo della teoria: la selezione naturale, che secondo i Darwinisti puri è puramente casuale.
Monod pubblicò nel 1970 il libro: “Il Caso e la Necessità”. In esso rivisita la teoria originale dell’evoluzione di Darwin secondo una visione rigorosamente meccanicistica. Secondo Monod, gli organismi viventi, e le singole cellule, sono macchine che contengono tutte le informazioni necessarie al proprio funzionamento. Essi non sono guidati da un fine esterno, ma da proprietà teleonomiche che li rendono nettamente differenti dalla materia inanimata. L'organizzazione di ogni forma vivente è determinata dal DNA che, attraverso le proteine, trasforma le informazioni in strutture e funzioni biologiche ben definite. L'organismo vivente quindi è una macchina chiusa, incapace di ricevere istruzioni dal mondo esterno. Essa possiede un codice genetico che rappresenta il programma che guida la formazione degli organismi e che è trasmesso alle generazioni successive. Ogni modifica al codice genetico, non può derivare da un'interazione dell'organismo con l'ambiente. Essa deve provenire da eventi del tutto casuali; per esempio da errori di trascrizione del codice genetico dovuti prevalentemente a perturbazioni di natura quantistica. La modifica nella struttura del DNA, così verificatasi, verrà inevitabilmente e fedelmente riprodotta in moltissimi esemplari dal sistema di replicazione dell'organismo, che opera con necessità inderogabile. Di qui il titolo: il caso e la necessità.

La critica si appunta su questa casualità pura della selezione naturale: questo è in contraddizione con il comportamento degli esseri viventi: tutti gli organismi viventi si formano per una funzione e non per caso. Quindi ogni organismo è selezionato per un fine e non casualmente. Questa contraddizione ha iniziato un processo di rilettura del Darwinismo puro, appena agli inizi.
Quindi, se questa è una critica ragionevole, che rispetta il metodo scientifico, allora una ipotesi di selezione-per anziché puramente casuale, potrebbe essere formulata e troverebbe ospitalità come quella della casualità pura.
Un modo per costruire una tale ipotesi, secondo il sottoscritto potrebbe essere ricorrere alla vita artificiale.La Vita Artificiale è un mondo artificiale in cui è possibile simulare i processi vitali.
In questo contesto è possibile simulare l’evoluzione della vita e dimostrare plausibile una vita non figlia del caso, ma che si evolva seguendo un trend, una intenzionalità.
La Vita Artificiale può essere simulata su supporti non organici, ad esempio elaboratori.
Simula i fenomeni naturali, quali nascita, morte, crescita, sviluppo, selezione naturale, evoluzione percezione, manipolazione, cammino, adattamento, apprendimento, intelligenza.
Eè affascinante seguire l’evoluzione storica di questo campo di ricerca. Questa ha visto la nascita degli Avatar, che posseggono un comportamento autonomo e una personalità autonoma, che dipendono dall’interazione con l’ambiente: pioniere di questi fu Frederic Parke 1970.
Vite artificiali storiche sono i sistemi particellari e i flocks (stormi) che evidenziano un comportamento collettivo.
I primi costituiti da una grande quantità di particelle sono rappresentabili con un insieme “fuzzy”. Il comportamento di ciascuna particella è molto semplice ed interagisce solo con l’ambiente.
I flocks sono meno numerosi, ma hanno un comportamento fisico più complesso ed una limitata quantità di intelligenza.
Da queste semplici leggi emerge un comportamento unitario: avete mai visto gli assetti complessi degli stormi di uccelli in cielo? Ebbene quei disegni, sembra impossibile, ma derivano da leggi di interazione molto semplici: come, ad esempio, mantenere una distanza tra individui inferiore ad un certo valore.
Altre vite artificiali semplici, oggetto di ricerca, sono i Sistemi Particellari e gli Automi Cellulari, applicati, ad esempio, nella Computer Graphics e nella progettazione di Calcolatori Paralleli.
Infine esempi di flocks sono le Colonie di Formiche Artificiali di Langton e le popolazioni di bestie che si evolvono.
Infine lo studio evolutivo basato sulla definizione di opportuni cromosomi costituisce la base di una serie di applicazioni, che riguardano ad esempio l’ottimizzazione di problemi ingegneristici. Ma qui ci interessa la simulazione della vita naturale, che come si è detto può essere effettuata ipotizzando una selezione finalizzata anziché casuale pura: basta far interagire in modo esplicito, anche se casualmente l’ambiente esterno con la selezione.
Quindi anche qui la risposta alla seconda domanda non è sì. Rimangono ombre e incertezze, che la scienza sta tentando di chiarire. La scienza ha le sue strade, come si è detto, e non è legittimo lasciarsi influenzare dalle credenze. Vale solo il metodo scientifico.
Ma non me ne vogliano certi ‘chierici’ della scienza che difendono le loro ipotesi scientifiche costruendo, attorno ad esse, vallati di disprezzo per chi osi metterle in dubbio, dimenticando che è il processo di falsificazione quello che dà sicurezza alle ipotesi. Ora se diverse ipotesi, purchè plausibili si dovessero affacciare all’orizzonte è il metodo scientifico che richiede di vagliarle e, comunque dare loro diritto di asilo al pari delle ipotesi tradizionali. Chissà forse riusciremo a sfangarla a non avere coma Padre Creatore il Caso cieco….Chi vivrà vedrà.