Postat de Gail Actuary pe 5 februarie 2010 - 10:31

energie

Acesta este un post de invitat de George Mobus, care este profesor asociat de computere și sisteme software la Universitatea din Washington Tacoma.

Civilizațiile cresc în complexitate, având în vedere circumstanțele potrivite. Și de prea multe ori ajung să se prăbușească. Istoria este plină de exemple. Joseph Tainter, printre altele, a examinat colapsul din punctul de vedere al scăderii randamentului marginal al investițiilor într-o complexitate crescândă, despre care consideră că este cel mai frecvent factor în societățile prăbușite. Întrebarea cheie pe care trebuie să o punem este: Ce circumstanță critică (dacă există un factor mai presus de toți ceilalți) permite unei societăți să crească în complexitate în primul rând? Dacă găsim un răspuns la această întrebare, putem găsi și ce cauzează scăderea randamentelor marginale pe măsură ce complexitatea crește. Aceasta este cu siguranță o preocupare crescândă pentru civilizațiile noastre moderne. Avansez o teză teoretică și principială a sistemelor, de mai jos, care pune fluxul crescut de energie ca facilitator cheie al creșterii complexității. Și examinez la ce ne-am putea aștepta de la scăderea debitului respectiv atunci când sursele sunt epuizate.

Joseph A. Tainter's The Collapse of Complex Societies

Dacă nu ați citit cartea lui Tainter din 1988 (unii ar spune prescient), The Collapse of Complex Societies (Cambridge University Press) sau dacă nu ați citit-o recent, ați face bine să o faceți cât mai curând posibil. [A se vedea, de asemenea, un discurs pe care l-a ținut la cea de-a 94-a reuniune anuală a Societății Ecologice a Americii, postat pe The Oil Drum, aici.]

Am avut marea noroc să-l cunosc pe Joe la cea de-a doua reuniune anuală de economie biofizică din Syracuse, NY, în octombrie anul trecut. El a venit să susțină discursul plenar în care a conectat rentabilitatea energiei la investițiile energetice cu teoria sa despre modul în care complexitatea evoluată în societăți se transformă în prăbușiri, atunci când acestea apar. M-am oprit apoi în Logan Utah, în drum spre casă, în statul Washington și am petrecut ceva timp de calitate vorbind cu el în seara aceea, cu un singur scotch de malț (o etichetă despre care nu mai auzisem niciodată - foarte fumat!)

Așa că m-am gândit să-mi scot exemplarul Collapse când ajung acasă și să-l recitesc. Mi-am amintit că nu am fost la fel de interesat de detaliile societăților romane și mayașe în felul în care ar fi un arheolog (acreditările lui Joe) și probabil că scăpase prea mult. Conferința sa de la Siracuza mi-a stârnit interesul acum că știu ceva mai multe despre ceea ce pare să se întâmple în societățile noastre moderne din lumea petrolului post-vârf. Spre regretul meu nu am putut găsi exemplarul meu. De fapt, mi-am amintit vag că l-am împrumutat de la bibliotecă (nu eram suficient de bogat în 1988 pentru a avea o mare bibliotecă personală), așa că l-am luat rapid de la Amazon, împreună cu alte câteva clasice pe această temă și l-am citit din nou. . De data aceasta cu ochi mai informați, dacă nu chiar mai proaspeți.

Teza lui Joe se rezumă la acest lucru: societățile dezvoltă o complexitate organizațională și tehnică mai mare pentru a rezolva problemele sociale care apar din cauza forțelor externe sau a presiunilor populației sau a utilizării excesive a resurselor naturale, etc. să scadă ducând la scăderea marjelor de eroare pentru gestionarea posibilelor efecte catastrofale. Societățile se prăbușesc atunci când complexitatea crescândă nu mai are recompense și se întâmplă altceva rău.

În timp ce citeam din nou acest lucru, m-am gândit la alte domenii în care am dezvoltat o anumită expertiză, și anume evoluția complexității în sisteme dinamice (din știința generală a sistemelor) sub influența fluxului de energie potențială ridicată. M-am simțit inspirat să scriu mai multe despre asta, deoarece cred că există câteva principii generale pe care le-am putea folosi pentru a descifra ceea ce se întâmplă în lume astăzi și pentru a avea un anumit sens despre ce să ne așteptăm de mâine.

Fluxul de energie și evoluția complexității interne

Termenul de complexitate a devenit oarecum problematic în ultimele decenii, din cauza dificultății pe care cercetătorii și autorii au avut-o în a ajunge la un fel de consens asupra semnificației sale. Desigur, este ca pornografia, nu? O știm când o vedem. Am încercat să ofer un tratament mai concret al subiectelor complexității și al evoluției sale în altă parte, așa că nu voi intra în detaliu aici. Cititorii care doresc o definiție mai precisă ar trebui să arunce o privire asupra acestor lucrări. Pentru scopurile noastre urmează un scurt rezumat.

Există într-adevăr două tipuri de complexitate, potențială și realizată. Complexitatea potențială vine din a priori existență într-un sistem semi-închis de nenumărate componente brute, atât în ​​număr absolut, cât și în tipuri. Tipurile, aici, se referă la componente care au personalități diferite sau potențiale de interacțiune cu alte tipuri de componente. Cu cât există mai multe tipuri și potențiale de interacțiune, cu atât complexitatea realizată ar putea obține în limitele sistemului.

Complexitatea realizată este ceea ce credem majoritatea dintre noi atunci când întâlnim ceva care are deja o organizare și care pare să funcționeze prin interacțiuni reale între componente. Când vedem mai multe tipuri de aranjamente ale componentelor care par a fi regulate și care interacționează puternic, înțelegem sistemul ca fiind complex. Putem vizualiza un sistem din exterior, să zicem când întâlnim o mașină complexă (poate căutăm înăuntru pentru a vedea funcționarea) sau din interior, ca atunci când încercăm să înțelegem natura complexă a propriei noastre societăți. Oricum, complexitatea realizată se caracterizează prin organizare, stabilitatea interacțiunilor, multe tipuri de interacțiuni și subsisteme deseori recunoscute, care pot fi, ele însele, complexe. Un bun exemplu de sistem complex cu subsisteme complexe este o celulă vie, în special un protist, cum ar fi un Paramecium.

O întrebare centrală a evoluției organizației se întreabă: Cum se dezvoltă, de fapt, o colecție neorganizată de componente (complexitate potențială) în timp într-un sistem organizat, funcțional (complexitate realizată)?

Această întrebare se află în centrul problemei încă oarecum misterioasă (deși nu mistică) a originii vieții pe Pământ. Viața a apărut din componente non-vii, probabil cu aproximativ 2 până la 3 miliarde de ani în urmă. Și odată ce formula de bază a metabolismului complex în celule s-a dezvoltat, viața a continuat să evolueze în continuare, producând în cele din urmă organisme multi-celulare simple și apoi, într-un interval de timp mult mai scurt, pentru noi.

Harold Morowitz (COM)Fluxul de energie în biologie, 1968, Academic Press), urmând îndeaproape pe urmele lui Erwin Schrödinger, care a pus faimos întrebarea „Ce este viața?”, A oferit o perspectivă importantă asupra naturii evoluției organizației în sisteme semi-închise. El a demonstrat că atunci când energia de tipul corect curge dintr-o sursă de potențial ridicat, prin sistem, și iese la un potențial mai mic (căldură), acea muncă se realizează în mediul component și structurile obținute. El a inventat fraza pe care a făcut-o faimoasă Stuart Brand pe coperta din spatele ultimului catalog al întregului pământ, sub faimoasa imagine a Pământului luată din lună: „Fluxul de energie printr-un sistem acționează pentru a organiza acel sistem”.

Morowitz lucra la organizarea moleculară în încercarea de a fi mai precis cu privire la originea acestei organizații în procesele naturale. El a detaliat destul de frumos modul în care fotonii cu frecvența potrivită pot pătrunde la un moment dat într-un sistem semi-închis (fiind închis la intrările sau ieșirile materiale), pot fi absorbiți de componente moleculare sau atomice simple în care electronii erau astfel excitați ar putea apărea aranjamente de legătură. Energia care a ajuns în moduri termice ar tinde să excite moleculele la capătul de intrare al sistemului și să determine ciclul materialului (convecție) să organizeze moleculele în mod dinamic. Astfel, atât structura, cât și mișcarea rezultă din afluxul fotonilor drepți. El a continuat să analizeze lucruri precum fluxul informațional datorat schimbărilor de structură și funcție, importante pentru înțelegerea noastră a vieții.

Ca orice bun om de știință disciplinar, se simțea incomod cu prea multă generalizare din ideile sale de bază (comunicarea personală). Dar nu sunt constrâns de constrângeri disciplinare bune, deoarece îmi place să găsesc generalizări care par să se aplice peste granițe disciplinare. În acest caz, susțin că principiul fluxului de energie este, într-adevăr, destul de general și o bună explicație pentru evoluția organizării și complexității în toate sistemele, nu doar de natură moleculară.

Când Morowitz spune „acționează pentru a organiza un sistem” aș modifica acest lucru pentru „permite organizarea unui sistem să apară”. Fluxul de energie nu determină atât de mult să evolueze o anumită organizație, cât este pur și simplu o condiție necesară apariției oricărei organizații. De fapt, orice sistem dat cu o anumită complexitate potențială nominală ar putea evolua în orice fel de moduri către o complexitate realizată mai mare. Fluxul de energie furnizează potențialul necesar pentru realizarea muncii. Aici, prin muncă, mă refer la orice fel de reconfigurare a materiei pe măsură ce se adoptă noi asociații și mișcări. Munca este ceea ce permite energia, dar exact ce muncă depinde de ce materiale sunt în cartier în același timp în care energia este disponibilă.

Pentru asta trebuie să ne bazăm pe ceva care seamănă cu șansa, dar, de fapt, este organizat în mod inerent și acesta este haosul. Ilya Prigogine, cam în același timp în care Morowitz lupta cu mecanica internă a evoluției organizației, a avut o perspectivă la fel de utilă asupra naturii sistemelor în care nu exista o organizare aparentă a componentelor, dar a avut tendința de a evolua organizația în timp. El a numit aceste sisteme (ceea ce am etichetat potențial complex) ca fiind haotice. La o examinare atentă, se constată că astfel de sisteme nu sunt cu adevărat aleatorii. De fapt, au un fel de structură, cum ar fi o cascadă; calea apei care cade, în vrac, este ușor de prevăzut sau limitele cascadei sunt observabile, dar soarta oricărei molecule date de apă pe măsură ce se apropie de cădere este complet imprevizibilă. Turbulența într-un flux este un alt exemplu de sisteme haotice. Dacă te uiți vreodată la un flux care se grăbește, vei vedea că vârtejurile apar destul de regulat în anumite puncte din cauza formațiunilor stâncoase de bază. Dar nu puteți prevedea cu nicio acuratețe când va apărea un vârtej (sau chiar exact unde se află într-o anumită limită generală).

Haosul într-un sistem semi-închis impune un fel de organizare generală, limitând în general tipurile de interacțiuni care se pot întâmpla. Este inerent ciclurilor convective ale lui Morowitz; organizarea fluxurilor și sortarea posibilă (să spunem după diferențele de greutate) a componentelor conduc la probabilități mai mari de anumite interacțiuni asupra oricăror dintre cele arbitrare, concept atins de Dan Dennett în Ideea periculoasă a lui Darwin, (1995, Simon & Schuster) pe care l-a numit „mișcări forțate”. Astfel, argumentul potrivit căruia ordinea (sau prefer organizarea) poate apărea din haos (conceptul l-a determinat pe Prigogine să obțină un premiu Nobel pentru fizică!)

Cu toate acestea, cheia rămâne fluxul de tipuri și cantități potrivite de energie prin sistem. Fluxul solar prin atmosfera și hidrosfera Pământului alimentează o mare majoritate a lucrărilor de organizare pe suprafața planetei, cu contribuții ale forțelor geotermale și ale mareelor. Și Pământul a trecut de la o minge fierbinte cu gaze otrăvitoare care se învârteau în jurul ei până la punctul verde albastru care a îmbrăcat partea din spate a Catalogului Ultimul Pământ.

Complexitatea realizată se obține din pomparea continuă a fluxurilor de energie prin sistem. Pe o perioadă suficient de lungă de timp, și presupunând că există un flux constant al acestor energii, componentele tind să se organizeze și să se reorganizeze generând o complexitate crescândă la un nivel dat. Evoluția este apariția unui subsistem nou, la acel nivel, urmat de o selecție activă pentru sau împotriva acelui sistem de către restul întregului sistem. După un timp, cele mai potrivite subsisteme ajung să domine chiar dacă variațiile haotice dau naștere la noi variante. Ocazional, o nouă variantă este „mai” potrivită în circumstanțele generale și supraviețuiește. Când aceste subsisteme sunt, ele însele, capabile de replicare, așa cum este un sistem viu, atunci varietatea mai nouă îi va înlocui pe cei mai vechi.

Organismele multi-celulare au continuat să evolueze în arborele filogenetic al vieții și să iasă pe una dintre cele mai noi ramuri ale acelui copac stă o maimuță care are un creier spectaculos și ceva ce numim conștiință de ordinul doi. Sunt conștienți că sunt conștienți. Au comunicări abstracte atât vorbite, cât și scrise. Și încep să exploateze tot felul de energii inaccesibile anterior pentru a-și completa hrana biologică normală. Ei dezvoltă interacțiuni sociale complexe, deoarece au o bogăție tot mai mare de energie din aceste surse externe. Complexitatea potențială pentru aceste fiare este uluitoare. Și au continuat să evolueze cât de multe au putut, având în vedere constrângerile haotice asupra grupării lor.

Un nou nivel de organizare a apărut ca societăți. Cultura surprinde gradul de complexitate, dar uită-te la ce se întâmplă pentru indivizi. La fel cum celulele din organismele multi-celulare ar putea deveni „mai simple” prin specializare, oamenii individuali ar putea simplifica prin specializarea în munca pe care au efectuat-o. Pe măsură ce au făcut-o, complexitatea totală realizată a societății a crescut, dar viața unui individ a avut tendința de a deveni mai puțin complexă. Cel puțin pentru o vreme.

Acest lucru ne aduce un cerc complet la punctul lui Joe Tainter. La orice debit dat de energie disponibil pentru a lucra, un sistem social atinge complexitatea maximă care rezolvă problemele sistemului în ansamblu.

În modelul lui Morowitz, trebuie să ne întrebăm, ce se întâmplă atunci când reduceți fluxul de energie printr-un sistem organizat? Motivul pentru care această întrebare este crucială este că este exact ceea ce se întâmplă societăților noastre umane. Vârful producției de petrol reprezintă ceva și mai periculos pentru societate, vârful energiei nete pentru a face lucrări utile în economia noastră (vezi: „Dinamica economică și pericolul real”). Ce se întâmplă cu sistemele lui Morowitz atunci când fluxul de energie scade? Răspunsul simplu este că se întorc la haos.

Tainter documentează modul în care societățile care ating limitele randamentului marginal pe o complexitate crescută și atunci se întâmplă ceva rău. Se prăbușesc. Ce zici de o lume în care am crescut „artificial” fluxul de energie folosind combustibili fosili (mult peste influxul solar în timp real), astfel încât să putem evolua ordine mult mai mari de complexitate realizată decât poate fi susținută odată ce acești combustibili fosili încep să declin? Nu am ajuns la punctul nostru de complexitate maximă în care fiecare investiție în mai mare complexitate aduce o rentabilitate reală mai redusă a beneficiilor? Și nu s-ar putea datora faptului că am ajuns la un fel de flux maxim de energie?

Aceasta este problema cu care ne confruntăm ca civilizație globală. Rămânem fără petrol și, în consecință, vom găsi mai greu să extragem alte resurse de energie și minerale. Energia noastră netă este deja în declin și aceasta se află la baza problemelor economice globale pe care le vedem. Adevărul simplu este că nu puteți avea o economie în creștere atunci când baza întregii producții de bogăție economică este în declin. Nu puteți face diferența cu creșterile de eficiență (și, în realitate, nu există prea multe câștiguri de eficiență reale de făcut). Scopul fluxului de energie datorat luminii solare fosile este doar incredibil de imens. Nici nu vom face diferența cu surse alternative și durabile (cum ar fi fluxul solar în timp real), deoarece nu putem construi scara infrastructurii care ar fi necesară într-un interval de timp rezonabil.

Nu putem începe decât să ne simplificăm societățile și să renunțăm la numeroasele cheltuieli discreționare de energie de care ne bucurăm în prezent, fără să ne gândim prea mult. Putem învăța să trăim din nou din fluxul solar în timp real prin intermediul sistemelor noastre de creștere a alimentelor. Și chiar și atunci vorbim despre o capacitate de a susține doar o mică parte din populația actuală. În mod ironic, simplificarea societății implică creșterea complexității vieților individuale. Ceea ce înseamnă acest lucru în practică este că fiecare individ trebuie să înceapă să devină mai generalist în ceea ce privește funcțiile care susțin viața. Toată lumea va trebui să devină cultivator de alimente! Credeți sau nu, nu este simplu! A ști cum să-ți crești proprii nutrienți este de fapt destul de complicat și va necesita un set complet nou de abilități cognitive.

Presupun că va fi greu să vezi asemănări în dinamica moleculelor sau celulelor și a societăților umane pentru mulți oameni. Este un punct de vedere foarte abstract. Ar putea părea inuman! Dar dacă există într-adevăr o corespondență, o lege generală a evoluției complexității bazată pe fluxul de energie, atunci am putea fi înțelepți să acordăm atenție.