Kaaosteoria viittaa tiettyjen liikejärjestelmien, kuten valtameren virtausten tai väestönkasvun, käyttäytymiseen, joka on erityisen herkkä aloitusolosuhteiden pienille muutoksille, jotka johtavat rajusti erilaisiin tuloksiin. Toisin kuin se tarkoittaa puhekielessä, kaaosteoria ei tarkoita, että maailma olisi vertauskuvallisesti kaoottinen, eikä se viittaa entropiaan, jolla järjestelmät luonnollisesti pyrkivät epäjärjestykseen. Kaaosteoria perustuu mittauksiin liittyvään epävarmuuteen, ennusteiden tarkkuuteen ja näennäisesti lineaaristen järjestelmien epälineaariseen käyttäytymiseen.
Ennen kvanttimekaniikkaa kaaosteoria oli ensimmäinen “outo” idea fysiikasta. Vuonna 1900 Henri Poincaré pohti arvojen suhdetta järjestelmän eri ajankohtina, joiden yleinen käyttäytyminen voitaisiin ennustaa tarkasti, kuten kiertoradalla oleva planeetta. Hän ymmärsi, että mittausta, kuten sijaintia, nopeutta tai aikaa, ei voida koskaan määrittää tarkasti, koska jokaisen mahdollisesti kehitettävän laitteen herkkyys olisi rajallinen. Eli mikään mittaus ei ole äärettömän tarkka.
Poincaré tiesi, että liike kuvataan deterministisesti sarjalla yhtälöitä, jotka voivat tarkasti ennustaa asioita, kuten mihin pallo päätyy, jos se vieritetään ramppia pitkin. Hän kuitenkin teorioi, että pieni ero alkuolosuhteissa, joka perustuu melkein merkityksettömiin vaihteluihin massan kaltaisessa mittauksessa, voi johtaa kahteen täysin erilaiseen makroskooppiseen lopputulokseen kaukana ja kaukana tulevaisuudessa. Tätä teoriaa kutsuttiin dynaamiseksi epävakaudeksi, ja myöhemmin tutkijat vahvistivat hänen ideoidensa paikkansapitävyyden.
Kaaosteoria siis tutkii, kuinka organisoidut, vakaat järjestelmät eivät aina voi tuottaa merkityksellisiä ennusteita paljon myöhemmin, vaikka lyhytaikainen käyttäytyminen seuraa tarkemmin odotuksia. Itse asiassa kaikki sen tuottamat ennusteet voivat olla niin hurjasti erilaisia, että ne eivät ole parempia kuin arvaukset. On ristiriitaista, että tarkempi arvo ei anna tarkempaa tulosta.
Vaikuttavien olosuhteiden minuutin muutoksen lumipallovaikutusta kutsutaan perhosvaikutukseksi. Tämä metafora viittaa siihen, että perhonen, joka heiluttaa siipensä, lähes huomaamaton vaikutus, voisi edistää hirmumyrskyn kehittymistä maapallon toisella puolella. Edward Lorenz teki ensimmäiset tietokonesimulaatiot 1960 -luvulla, jotka osoittivat dynaamista epävakautta todellisilla yhtälöillä ja tiedoilla.
Alkuperäolosuhteita ei voida päätellä myöhemmistä olosuhteista eikä päinvastoin useissa tärkeissä järjestelmissä, kuten ilmakehän paineessa ja säässä ja ilmastossa vaikuttavilla merivirroilla. Tämä ei ole vain tosielämän skenaario, joka johtuu jostain sellaisesta kuin liian vähän lämpömittaria meressä. Kaaosteoria on todennettavissa oleva, matemaattisesti johdonmukainen teoria, joka osoittaa, että joskus yhä tarkemmat yhtälöihin liitetyt mittaukset eivät anna yhä tarkempia ennusteita, vaan pikemminkin niin äärimmäisiä poikkeavia arvoja, että ne ovat käytännössä hyödyttömiä.
Jotkut fyysikot työskentelevät yhteyksillä tämän näennäisen sattuman ja suuren rakenteen välillä. He tutkivat globaalin ilmaston malleja, galaksien massajakaumaa superklustereissa ja populaation vaihtelua geologisella aikaskaalalla. He olettavat, että makroskooppisella tasolla tietynlaiset organisaatiot ja johdonmukaisuudet ovat olleet mahdollisia vain kaaosteorian häiriön ja epäjohdonmukaisuuden kautta.