Chương đầu tiên tìm hiểu câu hỏi "Sự phức tạp là gì ?"
Như bạn sẽ thấy đây là câu hỏi khó trả lời đích xác,
Chúng ta sẽ bắt đầu một cách trực quan thông qua các ví dụ điển hình của Lý thuyết Phức tạp.
Đây sẽ là tóm tắt các chủ đề chúng ta sẽ đề cập trong khóa.
Sau đó chúng ta cũng sẽ liệt kê các tính chất chung của hệ thống phức tạp.
Chúng ta sẽ điểm qua định nghĩa về sự phức tạp, ta sẽ quay lại vấn đề này ở phần sau của khóa học.
Ta cũng sẽ điểm qua các ngành chính, mục đích, và phương pháp của lý thuyết Phức tạp.
Khi đó chúng ta sẽ sẵn sàng cho mục "Khách mời",
trong đó tôi sẽ phỏng vấn ý kiến của những chuyên gia đầu ngành.
Nửa sau của chương này sẽ nói về NetLogo - nền tàng mô phỏng và lập trình
mà ta sẽ dùng trong khóa học này.
Bạn đã sẵn sàng chưa ? Hãy bắt đầu.
Một ví dụ điển hình để bắt đầu là loài kiến. Nigel Franks, một nhà nghiên cứu kiến nổi tiếng, nói rằng
một con kiến là một trong những cá thể đơn giản nhất có thể tưởng tượng,
nhưng một đàn rất nhiều con kiến thì lại là chuyện khác.
Ví dụ ở đây là một đàn kiến đang xây đường hầm.
Mỗi con kiến làm việc rất đơn giản, nhưng cả đàn có thể hợp tác với nhau
để hoàn thành những công việc phức tạp mà không cần trung tâm điều khiển,
nghĩa là không có một con kiến hay 1 nhóm kiến chỉ huy.
Nói cách khác, 1 đàn kiến có thể tổ chức thành những cấu trúc
phức tạp hơn bất cứ con kiến đơn lẻ nào có thể làm.
Ở ví dụ này đàn kiến đang xây 1 cây cầu bằng chính cơ thể chúng,
nhờ đó đàn kiến có thể di chuyển qua khoảng trống giữa 2 lá.
Đoạn video sau đây quay lại cảnh xây cầu này.
Chúng bắt đầu từ đây, vào đây tạo thành cây gậy, cứ như vậy xuống dưới,
và cuối cùng chúng sẽ kết nối được xuống đất.
Bạn có thể thấy chúng dần dần tự gắn mình vào cấu trúc.
Mỗi con kiến tiết hóa chất để giao tiếp với các con khác,
và cả cây cầu được xây mà không có trung tâm chỉ huy nào.
Bạn có thể gọi đây là 1 ví dụ về hệ thống phân cấp, tự tổ chức, hoặc tự hợp.
Những loài côn trùng khác cũng có hành vi này.
Ví dụ, đây là một trong những cấu trúc phức tạp được xây bởi mối.
Nó là tổ mối. Một trọng tâm nghiên cứu của lý thuyết phức tạp là hiểu tại sao tập hợp những
cá thể đơn lẻ có thể có hành vi phức tạp mà không cần trung tâm điều khiển.
Trong các ví dụ vừa rồi, các cá thể là côn trùng, tuy nhiên ta sẽ xem xét các loại khác.
Một ví dụ điển hình khác là bộ não. Ở đây các cá thể đơn giản
là nơ-ron (neurons). Não người có khoảng 100 tỉ nơ-ron, với khoảng 100 nghìn tỷ kết nối
giữa các nơ-ron. Mỗi nơ-ron đều rất đơn giản so với não bộ,
và lại 1 lần nữa không có trung tâm điều khiển. Bằng cách nào đó tập hợp lớn các nơ-ron
và liên kết đã tạo nên các hành vi phức tạp như nhận thức, trí thông minh, thậm chí
óc sáng tạo. Hình ảnh chụp não cho thấy các nơ-ron tự tổ chức
thành các vùng chức năng khác nhau. Cũng như kiến hay mối, nơ-ron tự tổ chức
thành các cấu trúc phức tạp giúp động vật hoạt động và tồn tại. Một ví dụ khác là hệ miễn dịch,
Hệ miễn dịch phân bố khắp cơ thể,
gồm rất nhiều cơ quan như trên hình, cùng với hàng nghìn tỉ tế bào dịch chuyển qua lại
trong mạch máu hoặc bạch cầu để bảo vệ và phục hồi cơ thể.
Ví dụ, đây là hình ảnh các tế bào miễn dịch - màu xanh - tấn công 1 tế bào ung thu
ở trung tâm. Như loài kiến ta đã thấy, các tế bào miễn dịch giao tiếp
thông qua tín hiệu hóa học, và hoạt động cùng nhau mà không có trung tâm điều khiển nào
để tấn công có hệ thống các mối đe dọa đối với cơ thể.
Thêm nữa, các tế bào miễn dịch có thể biến đổi và thích nghi
đối với những thay đổi của môi trường xung quanh.
Sự thích nghi này là một tính chất đặc trưng khác của hệ thống phức tạp.
Một ví dụ quen thuộc khác là gen di truyền của người. Đây là ảnh chụp
một gen người. Mỗi một hình giống con sâu này là 1 nhiễm sắc thể, có 23 cặp
nhiễm sắc thể. Bạn có thể thấy đây là nam, bởi cặp XY.
Mỗi nhiễm sắc thể được cấu tạo từ hàng ngàn gen. Gen là
một chuỗi DNA dọc theo nhiễm sắc thể. HIện tại người ta cho rằng gen người có khoảng 25000
gen phụ trách tổng hợp protein. Trong thuật ngữ chuyên ngành phức tạp, bạn có thể coi gen như là
các cá thể đơn giản giao tiếp với các gen khác một cách không tập trung. Cách giao tiếp của chúng
là thông qua mạng lưới điều hòa gen (genetic regulatory network). Các gen kiểm soát trạng thái lẫn nhau,
ở đây trạng thái là khả năng tổng hợp protein. Đây là một mạng lưới điều hòa gen nhỏ
đã được phác thảo. Ở đây, mỗi hình chữ nhật hoặc o-van biểu thị
1 gen, mỗi mũi tên từ 1 gen đến gen khác nghĩa là gen thứ nhất kiểm soát
gen thứ 2. Hệ thổng gen người bao gồm
hàng ngàn mạng lưới như vậy, trong đó gen tác động lẫn nhau một cách phức tạp,
và chính những tương tác này tạo nên sự phức tạp của chính chúng ta.
Ý tưởng về mạng lưới là trung tâm của việc nghiên cứu hệ thống phức tạp trong tự nhiên.
Đây là một ví dụ khác: mạng lưới thức ăn.
Mỗi nút biểu thị 1 nhóm loài, các mũi tên biểu thị
loài nào sẽ ăn thịt loài nào. Nếu 1 loài chỉ tới loài khác, nó nghĩa là
loài thứ nhất là thức ăn của loài thứ 2. Ví dụ, bạn có thể thấy cáo đứng đầu mạng thức ăn
Alaska này vì nó ăn thịt nhiều loài động vật, nhưng không loài nào ăn nó,
ít nhất là trong mạng lưới này. Đây là một mô hình trừu tượng của một mạng lưới còn phức tạp hơn
từ vịnh Alaska. Khi ta nói về mạng lưới ở phần sau, chúng ta sẽ thấy
nhiều ví dụ thú vị về tự tổ chức phân cấp trong lưới thức ăn, và các loại
mạng lưới khác. Có thể loại mạng lưới bạn quen thuộc nhất là mạng xã hội.
Đây là một phần của mạng xã hội của tôi với tôi ở đây. Các đường nối thể hiện quan hệ bạn bè.
Các bạn của tôi lại liên kết với các bạn của họ và cứ thế. Mạng xã hội có
khá nhiều tính chất thú vị, các tính chất này cũng xuất hiện trong mạng lưới sinh học và công nghệ.
Ở phần sau của khóa học, chúng ta sẽ xem xét kĩ hơn các tính chất này và cách thức hình thành chúng.
Các nhà nghiên cứu rất quan tâm đến các mạng xã hội lớn như
Facebook, họ muốn tìm hiểu cấu trúc, sự hình thành, thay đổi,
và quan trọng hơn là cách thức thông tin lưu chuyển trong mạng.
Nền kinh tế là một ví dụ khác, trong đó các mạng lưới và tương tác
đóng vai trò căn bản. Ở đây, ta thấy ví dụ của mạng lưới tài chính quốc tế,
trong đó mỗi nút biểu thị một trung tâm tài chính, và đường nối biểu thị liên kết. Ví dụ,
nếu 1 ngân hàng có cổ phần ở 1 ngân hàng khác, 2 ngân hàng được nối.
Khối lượng kết nối trong 1 mạng lưới như vậy đóng vai trò quan trọng
đối với sự ổn định của mạng lưới trước thay đổi, ví dụ như 1 ngân hàng bị phá sản.
Ngành khoa học về mạng lưới - xây dựng bởi các nhà nghiên cứu hệ thống phức tạp
- nghiên cứu về những hiện tượng như trên trong các lĩnh vực khác nhau.
Một ví dụ cuối cùng, ta xem xét các thành phố như là các hệ thống phức tạp.
Người ta hay nói rằng 1 thành phố cũng như 1 cá thể sống.
Nhưng chính xác là giống đến đâu, về cấu trúc, kích thước,
tốc độ phát triển, hay cách vận hành ? Những câu hỏi này là cơ sở của ngành
nghiên cứu về hệ thống phức tạp. Ta sẽ tìm hiểu sâu thêm vào phần sau.