מערכת מורכבת

מערכת מורכבת היא מערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה. מערכות מורכבות מופיעות בתחומים רבים כולל פיזיקה (מרמת האטום עד מערכות כוכבים וגלקסיות), סוציולוגיה (חברה של בני אדם, מדינות), כלכלה (שוק ההון), ביולוגיה (גוף האדם), פסיכולוגיה, טכנולוגיה, מטאורולוגיה, ניהול (ארגונים גדולים) ועוד.
למרות קיומן של מערכות מורכבות בתחומים רבים השונים זה מזה, מתפתחים מאפיינים התנהגותיים ומבניים דומים במערכות אלה, ומטרת הענף המדעי של חקר המערכות המורכבות היא לחקור תבניות (Patterns) אלה, לנסות להגדירם בצורה פורמלית בעזרת כלים הנלקחים מענפים שונים של המתמטיקה, ועל ידי-כך להבין בצורה טובה יותר את המערכות אשר מסביבנו, ולשפר את היכולת לחזות את התנהגותן. המצאת המחשב אפשרה לחקור את נושא המערכות המורכבות ונתנה דחיפה עצומה לחקר התחום כולו. חוקרים מתחומי מחקר רבים מתעניינים בענף זה של מחקר מתמטי ומחקרם מתפתח בד בבד עם שכלול הטכנולוגיה המאפשרת אותו.
מחקר המערכות המורכבות נודע בעבר גם בשם תאוריית מערכות, אם כי כיום משתמשים פחות בכינוי זה.

הגדרה פורמלית

אין כיום הסכמה גורפת על הגדרה פורמלית של מערכת מורכבת, אולם ההגדרה הנפוצה היא הגדרת מערכת מורכבת כמערכת המכילה מספר גדול של מרכיבים אשר משפיעים זה על זה.
שני הגורמים המרכזיים המבדילים בין מערכות מורכבות למערכות פשוטות הם קיומם של מסלולים מעגליים בתוך המערכת דבר המוביל להיווצרות משובים חיובים ושליליים, והעובדה שבמקרים רבים חלקי המערכת הם מערכות מורכבות בעצמם. גורמים אלה מובילים להתנהגות לא ליניארית של המערכת, ולכן המערכת אינה עונה על עקרון הסופרפוזיציה (כלומר התנהגות המערכת אינה סכום של התנהגויות כל אחד מחלקיה בנפרד). דבר זה מוביל לכך שקשה מאוד לחזות את התנהגות המערכת בצורה מדויקת, ובמקרים מסוימים עשוי אף להוביל להתנהגות כאוטית.

מערכות מקוננות (nested)

החלקים של המערכת המורכבת עשויים להיות בעצמם מערכות מורכבות (לדוגמה מדינה אשר היא מערכת מורכבת, המכילה בתוכה מבנים חברתיים אשר הם מערכות מורכבות, ואשר מורכבים מבני אדם שהם מערכות מורכבות).

משובים חיוביים ושליליים

קיומם של מסלולים מעגליים בתוך מערכת מורכבת (מערכת א משפיעה על מערכת ב, אשר משפיעה על מערכת ג, אשר בתורה משפיעה על מערכת א), מוביל להיווצרות משובים חיוביים (אשר עשויים להוביל להתבדרות של המערכת) ושליליים (אשר בולמים שינויים אשר מתפתחים במערכת). קיומם של משובים אלה הוא הגורם המרכזי להיווצרות התבניות במערכת.

יחסים לא-ליניאריים

שינויים קטנים יכולים לגרום להשפעה גדולה על המערכת (אפקט הפרפר), השפעה דומה בגודלה, או לא להשפיע בכלל.

מערכות פתוחות

מערכות מורכבות הן לרוב מערכות פתוחות ומושפעות מהסביבה בה הן נמצאות. דבר זה מקשה על היכולת לחקור את המערכת, ולכן אחד השלבים הראשונים בניתוח מערכת מורכבת הוא להגדיר בצורה ברורה את גבולות המערכת בתוך הסביבה בצורה בה ניתן יהיה לקרב את המערכת למערכת סגורה.

התפתחות תבניות

למרות חוסר הליניאריות של המערכת המורכבת והעובדה שהיא מערכת פתוחה, ניתן להבחין במספר תבניות אופייניות המתפתחות במערכות מורכבות. חשוב להדגיש שגם כאשר מתפתחת תבנית המערכת אין הדבר אומר שהמערכת נמצאת בשיווי משקל (מערכות מורכבות כמעט לעולם אינן מגיעות לשיווי משקל יציב).לרוב מדובר בתבנית דומיננטית אשר מתפתחת במערכת, כאשר במקביל מתפתחות מספר תבניות משניות, אשר עשויות להפוך לדומיננטיות (או לחלופין להעלם) בהמשך.

זיכרון

העבר של מערכת מורכבת משפיע על התנהגותה, ולכן הכנסת קלטים זהים מהסביבה למערכת עשויה לגרום לתוצאות שונות, בהתאם להיסטוריה של המערכת. דבר זה מקשה על היכולת לשלוט בהתנהגות המערכת מבחוץ.

רשת דינמית

רשת הקשרים במערכת מורכבת היא רשת דינמית, וקשרים בין חלקי המערכת עשויים להיווצר, להעלם או להשתנות.

ארגון-עצמי (Self-organizing)

מערכות מורכבות נוטות לפתח התנהגות חדשה (emergent behavior) ברמות הגבוהות כתוצאה מדינמיקה פנימית ברמות הנמוכות יותר ולא כתוצאה מהכוונה חיצונית. תכונה זו נקראת ארגון-עצמי, והיא נושא מחקרי מרכזי בתחום של מערכות מורכבות, בעיקר מכיוון שבמקרים מסוימים מרכיבים וקשרים מאוד פשוטים ברמה הנמוכה עשויה להוביל להתנהגות חדשה מורכבת ברמה הגבוהה. דוגמאות ידועות למקרים כאלה הם רשתות עצביות ותל נמלים.

העדר שליטה

בשל רגישותה לתנאים ההתחלתיים לא ניתן לשלוט במערכת מורכבת. יכולת הלמידה העצמית של המערכת תניב תוצאות שונות לשינויים קלים ואפילו זהים שניצור בה.

יכולת ניבוי

לא ניתן לנבא כיצד תגיב מערכת מורכבת לשינוי ולו הקטן ביותר.

יישומים של תאוריית המערכות המורכבות

מחקר המערכות המורכבות מפיח חיים חדשים בתחומים רבים של המדע, שהאסטרטגיה הרדוקציוניסטית לא הצליחה להסביר אותם. לפיכך, מדע זה עוזר לפתור בעיות רבות בתחומים שונים כמו נוירולוגיה, מטאורולוגיה, פיזיקה, מדעי המחשב, בינה מלאכותית, מיחשוב אבולוציוני, כלכלה, ניהול (ארגונים גדולים ובינוניים), חיזוי רעידות אדמה, סינקרוניזציה של תאי לב, מערכות חיסוניות, אפילפסיה ועוד. במחקרים אלה, המדענים מנסים בדרך כלל להבין את החוקים הלא-ליניאריים הפשוטים שגורמים לתופעות המורכבות (ולא לתאר את התופעות האלה).
באופן מסורתי, ההנדסה ניסתה לשמור על הליניאריות של המערכות שלה, מכיוון שכך קל יותר לבנות אותן ולחזות את התנהגותן. אולם מצד אחד מערכות פיזיקליות רבות (לדוגמה לייזרים) הן מערכות מורכבות ומצד שני גם מערכות הנדסיות פשוטות עשויות להפוך להיות מורכבות, אם בני אדם מעורבים בעבודת המערכת והם עשויים להשפיע עליה, ולכן בתכנון מערכת הנדסית יש להתחשב גם בהיבטים של חקר המערכות המורכבות.