Un sistem complex este un sistem compus din mai multe componente care pot interactiona intre ele. Exemple de sisteme complexe sunt climatul global al Pamantului, organismele, creierul uman, infrastructura precum reteaua electrica, sistemele de transport sau de comunicatii, organizatiile sociale si economice (cum ar fi orasele), un ecosistem, o celula vie si, in cele din urma, intregul univers.

Sistemele complexe sunt sisteme al caror comportament este intrinsec greu de modelat datorita dependentelor, competitiilor, relatiilor sau altor tipuri de interactiuni intre partile lor sau intre un sistem dat si mediul sau. Sistemele care sunt „complexe” au proprietati distincte care decurg din aceste relatii, precum neliniaritatea, aparitia, ordinea spontana, adaptarea si buclele de feedback, printre altele.

Deoarece astfel de sisteme apar intr-o mare varietate de domenii, aspectele comune dintre ele au devenit subiectul domeniului lor independent de cercetare. In multe cazuri, este util sa se reprezinte un astfel de sistem ca o retea in care nodurile reprezinta componentele si se leaga de interactiunile lor.

Termenul “sisteme complexe” se refera adesea la studiul sistemelor complexe, care este o abordare a stiintei ce investigheaza modul in care relatiile dintre partile unui sistem dau nastere la comportamentele sale colective si modul in care sistemul interactioneaza si formeaza relatii cu mediul sau.

Studiul sistemelor complexe considera comportamentele colective sau la nivel de sistem, ca obiect fundamental de studiu; din acest motiv, sistemele complexe pot fi intelese ca o paradigma alternativa la reductionism, care incearca sa explice sistemele in ceea ce priveste partile lor constitutive si interactiunile individuale dintre ele.

Ca domeniu interdisciplinar, sistemele complexe atrag contributii din multe domenii diferite, cum ar fi studiul auto-organizarii si fenomenelor critice din fizica, cel al ordinii spontane din stiintele sociale, haosul din matematica, adaptarea din biologie si multe altele. Prin urmare, sistemele complexe sunt adesea utilizate ca un termen larg care cuprinde o abordare de cercetare a problemelor din multe discipline diverse, inclusiv fizica statistica, teoria informatiei, dinamica neliniara, antropologie, informatica, meteorologie, sociologie, economie, psihologie si biologie.

Concepte cheie – sisteme

Sistemele deschise au fluxuri de intrare si iesire, reprezentand schimburi de materie, energie sau informatii cu mediul inconjurator.

Sistemele complexe sunt preocupate in principal de comportamentele si proprietatile sistemelor. Un sistem, definit pe larg, este un set de entitati care, prin interactiunile, relatiile sau dependentele lor, formeaza un tot unificat. Este intotdeauna definit in termenii limitei sale, care determina entitatile care fac sau nu parte din sistem. Entitatile aflate in afara sistemului devin apoi parte a mediului sistemului.

Un sistem poate prezenta proprietati care produc comportamente distincte de proprietatile si comportamentele partilor sale; aceste proprietati si comportamente la nivel global sunt caracteristici ale modului in care sistemul interactioneaza cu mediul sau sau al modului in care partile sale se comporta (sa zicem, ca raspuns la stimuli externi), in virtutea faptului ca se afla in sistem. Notiunea de comportament implica faptul ca studiul sistemelor este, de asemenea, preocupat de procesele care au loc in timp. Datorita aplicabilitatii lor largi, interdisciplinare, conceptele de sistem joaca un rol central in sistemele complexe.

Ca domeniu de studiu, un sistem complex este un subset al teoriei sistemelor. Teoria sistemelor generale se concentreaza in mod similar asupra comportamentelor colective ale entitatilor care interactioneaza, dar studiaza o clasa mult mai larga de sisteme, inclusiv sisteme non-complexe in care abordarile traditionale reductioniste pot ramane viabile. Intr-adevar, teoria sistemelor cauta sa exploreze si sa descrie toate clasele de sisteme, iar inventarea unor categorii care sunt utile cercetatorilor din domenii foarte variate, este unul dintre principalele obiective ale teoriei sistemelor.

In ceea ce priveste sistemele complexe, teoria sistemelor contribuie la accentul pe modul in care relatiile si dependentele dintre partile unui sistem pot determina proprietati la nivelul intregului sistem. De asemenea, contribuie la perspectiva interdisciplinara a studiului sistemelor complexe: notiunea ca proprietatile partajate leaga sistemele intre discipline, justificand urmarirea abordarilor de modelare aplicabile sistemelor complexe oriunde apar. Conceptele specifice importante pentru sistemele complexe, cum ar fi aparitia, buclele de feedback si adaptarea, isi au originea, de asemenea, in teoria sistemelor.

Complexitate

„Sistemele prezinta complexitate” ceea ce inseamna ca prezinta comportamente ce nu pot fi deduse cu usurinta din proprietatile lor. Orice abordare de modelare care ignora astfel de dificultati sau le caracterizeaza ca zgomot, va produce in mod necesar modele care nu sunt nici exacte, nici utile. Pana in prezent nu a aparut nicio teorie generala completa a sistemelor complexe pentru abordarea acestor probleme, astfel incat cercetatorii trebuie sa le rezolve in contexte specifice domeniului.

Cercetatorii in sisteme complexe abordeaza aceste probleme vizualizand sarcina principala a modelarii care sa surprinda, mai degraba decat sa reduca, complexitatea sistemelor lor de interes respective.

Desi nu exista inca o definitie exacta, general acceptata a complexitatii, exista multe exemple arhetipale de complexitate. Sistemele pot fi complexe daca, de exemplu, au un comportament haotic (comportament care prezinta o sensibilitate extrema la conditiile initiale, printre alte proprietati) sau daca au proprietati emergente (proprietati care nu sunt evidente din componentele lor izolate, dar care rezulta din relatiile si dependentele pe care le formeaza atunci cand sunt plasate impreuna intr-un sistem), sau daca sunt computabil intratabile ca model (daca depind de un numar de parametri care creste prea rapid in ceea ce priveste dimensiunea sistemului).

Retele

Componentele care interactioneaza ale unui sistem complex formeaza o retea, care este o colectie de obiecte discrete si relatiile dintre ele, de obicei descrise ca un grafic al varfurilor conectate prin margini. Retelele pot descrie relatiile dintre indivizi dintr-o organizatie, intre portile logice dintr-un circuit, intre gene din retelele de reglare a genelor sau intre orice alt set de entitati conexe.

Retelele descriu adesea sursele de complexitate din sistemele complexe. Studierea sistemelor complexe ca retele, prin urmare, permite multe aplicatii utile ale teoriei graficelor si stiintei retelelor. Multe sisteme complexe, de exemplu, sunt, de asemenea, retele complexe, care au proprietati precum tranzitiile de faza si distributiile de grade de putere-lege, care se preteaza usor la un comportament emergent sau haotic. Faptul ca numarul de muchii dintr-un grafic complet creste in mod quadratic in numarul de varfuri, arunca o lumina suplimentara asupra sursei de complexitate in retelele mari: pe masura ce o retea creste, numarul de relatii dintre entitati depaseste rapid numarul de entitati din retea.

Neliniaritatea

Sistemele complexe au adesea un comportament neliniar, ceea ce inseamna ca pot raspunde in moduri diferite la aceeasi intrare in functie de starea sau contextul lor. In matematica si fizica, neliniaritatea descrie sisteme in care o modificare a dimensiunii intrarii nu produce o modificare proportionala a dimensiunii iesirii. Pentru o anumita modificare a intrarii, astfel de sisteme pot produce schimbari semnificativ mai mari sau mai mici decat modificarile proportionale ale iesirii sau chiar deloc, in functie de starea curenta a sistemului sau de valorile parametrilor sai.

De un interes deosebit pentru sistemele complexe sunt sistemele dinamice neliniare, care sunt sisteme de ecuatii diferentiale cu unul sau mai multi termeni neliniari. Unele sisteme dinamice neliniare, precum sistemul Lorenz, pot produce un fenomen matematic cunoscut sub numele de haos. Haosul, asa cum se aplica sistemelor complexe, se refera la dependenta sensibila de conditiile initiale, sau „efectul de fluture”, pe care un sistem complex il poate prezenta. Intr-un astfel de sistem, mici modificari ale conditiilor initiale pot duce la rezultate dramatic diferite.

Prin urmare, comportamentul haotic poate fi extrem de greu de modelat numeric, deoarece erorile mici de rotunjire intr-o etapa intermediara de calcul, pot determina modelul sa genereze o iesire complet inexacta. Mai mult, daca un sistem complex revine la o stare similara cu cea pe care o detinea anterior, se poate comporta complet diferit ca raspuns la aceiasi stimuli, deci haosul ridica de asemenea provocari pentru extrapolarea din experienta.

Aparitia

O alta caracteristica comuna a sistemelor complexe este prezenta comportamentelor si proprietatilor emergente: acestea sunt trasaturi ale unui sistem care nu sunt evidente din componentele sale izolate, dar care rezulta din interactiunile, dependentele sau relatiile pe care le formeaza atunci cand sunt plasate impreuna intr-un sistem.

Aparitia descrie pe larg aparitia unor astfel de comportamente si proprietati si are aplicatii la sistemele studiate atat in ​​stiintele sociale, cat si in cele fizice. In timp ce aparitia este adesea utilizata pentru a se referi doar la aparitia unui comportament organizat neplanificat intr-un sistem complex, aparitia se poate referi si la defalcarea unei organizatii; descrie orice fenomen care este dificil sau chiar imposibil de prezis doar prin analiza entitatilor mai mici care alcatuiesc sistemul.

Un exemplu de sistem complex ale carui proprietati emergente au fost studiate pe larg il reprezinta automatele celulare. Intr-un automat celular, o retea de celule, fiecare avand una dintre multele stari finite, evolueaza in conformitate cu un set simplu de reguli. Aceste reguli ghideaza „interactiunile” fiecarei celule cu vecinii sai. Desi regulile sunt definite doar la nivel local, ele s-au dovedit capabile sa produca un comportament interesant la nivel global.

Caracteristici

Sistemele complexe pot avea urmatoarele caracteristici:

• Esecuri in cascada
• Din cauza cuplarii puternice dintre componente in sisteme complexe, o defectiune a unuia sau mai multor componente poate duce la defectiuni in cascada care pot avea consecinte catastrofale asupra functionarii sistemului. Atacul localizat poate duce la esecuri in cascada si colaps brusc in retelele spatiale.
• Sistemele complexe pot fi deschise
• Sistemele complexe sunt de obicei sisteme deschise – adica exista intr-un gradient termodinamic si disipa energia. Cu alte cuvinte, sistemele complexe sunt adesea departe de echilibrul energetic: dar in ciuda acestui flux, poate exista o stabilitate a modelului.
• Sistemele complexe pot prezenta tranzitii critice – tranzitiile critice sunt schimbari bruste in starea ecosistemelor, a climei, a sistemelor financiare sau a altor sisteme complexe care pot aparea atunci cand conditiile in schimbare trec de un punct critic sau de bifurcatie. „Directia incetinirii critice” in spatiul de stare al unui sistem poate fi indicativa a starii viitoare a unui sistem dupa astfel de tranzitii.
• Sistemele complexe pot avea memorie
• Recuperarea dintr-o tranzitie critica poate necesita mai mult decat o simpla revenire la conditiile in care a avut loc o tranzitie, un fenomen numit histerezis. Istoria unui sistem complex poate fi astfel importanta. Deoarece sistemele complexe sunt sisteme dinamice, ele se schimba in timp, iar starile anterioare pot avea o influenta asupra starilor actuale. Sistemele de interactiune pot avea histereza complexa a multor tranzitii. Un exemplu de histerezis a fost observat in traficul urban.
• Componentele unui sistem complex pot fi ele insele sisteme complexe. De exemplu, o economie este alcatuita din organizatii, care sunt formate din oameni, care sunt alcatuiti din celule – toate acestea fiind sisteme complexe. Aranjarea interactiunilor in cadrul retelelor bipartite complexe poate fi, de asemenea, imbricata. Mai precis, retelele bipartite ecologice si organizationale de interactiuni reciproc avantajoase s-au dovedit a avea o structura imbricata. Aceasta structura promoveaza facilitarea indirecta si capacitatea unui sistem de a persista in circumstante din ce in ce mai dure, precum si potentialul de schimbari ale regimului sistemic la scara larga.

Retea dinamica a multiplicitatii

Pe langa regulile de cuplare, reteaua dinamica a unui sistem complex este importanta. Se folosesc deseori retele mici sau fara scara care au multe interactiuni locale si un numar mai mic de conexiuni inter-zone. Sistemele complexe naturale prezinta adesea astfel de topologii. In cortexul uman, de exemplu, vedem conectivitate locala densa si cateva proiectii foarte lungi de axoni intre regiunile din interiorul cortexului si catre alte regiuni ale creierului.

Relatiile sunt neliniare

In termeni practici, aceasta inseamna ca o mica perturbare poate provoca un efect mare (vezi efectul fluture), un efect proportional sau chiar niciun efect. In sistemele liniare, efectul este intotdeauna direct proportional cu cauza.

Relatiile contin bucle de feedback

Atat feedback-ul negativ (amortizare), cat si cel pozitiv (amplificator) se gasesc intotdeauna in sistemele complexe. Efectele comportamentului unui element sunt redate in asa fel incat elementul in sine sa fie modificat.