Haosa teorija attiecas uz noteiktu kustību sistēmu uzvedību, piemēram, okeāna straumēm vai iedzīvotāju skaita pieaugumu, lai tās būtu īpaši jutīgas pret nelielām izmaiņām sākuma apstākļos, kas rada krasi atšķirīgus rezultātus. Atšķirībā no sarunvalodā ietvertā haosa teorija nenozīmē, ka pasaule ir metaforiski haotiska, kā arī neattiecas uz entropiju, ar kuru sistēmām dabiski ir tendence uz nekārtībām. Haosa teorija balstās uz mērījumiem raksturīgo nenoteiktību, prognožu precizitāti un šķietami lineāro sistēmu nelineāro uzvedību.
Pirms kvantu mehānikas haosa teorija bija pirmā “dīvainā” fizikas ideja. 1900. gadā Anrī Puankarē domāja par attiecībām starp vērtībām dažādos laika punktos sistēmā, kuras vispārējo uzvedību varēja precīzi paredzēt, piemēram, planētu orbītā. Viņš saprata, ka mērījumus, piemēram, pozīciju, ātrumu vai laiku, nekad nevar precīzi noteikt, jo katram instrumentam, ko varētu izstrādāt, būtu ierobežots jutības līmenis. Tas ir, neviens mērījums nav bezgalīgi precīzs.
Puankarē zināja, ka kustību deterministiski apraksta virkne vienādojumu, kas var precīzi paredzēt lietas, piemēram, kur bumba nonāks, ja tā tiks noripota pa rampu. Tomēr viņš izvirzīja teoriju, ka neliela sākotnējo apstākļu atšķirība, kas balstīta uz gandrīz nenozīmīgām mērījumu, piemēram, masas, variācijām, var radīt divus pilnīgi atšķirīgus makroskopiskus rezultātus tālu, tālā nākotnē. Šo teoriju sauca par dinamisko nestabilitāti, un vēlāk zinātnieki apstiprināja viņa ideju patiesumu.
Tāpēc haosa teorija pēta, kā organizētas, stabilas sistēmas ne vienmēr var sniegt nozīmīgas prognozes daudz vēlākam laikam, lai gan īstermiņa uzvedība vairāk atbilst cerībām. Faktiski jebkuras prognozes, ko tas dod, var būt tik ļoti atšķirīgas, ka tās nav labākas par minējumiem. Tas ir pretrunā ar to, ka precīzāka vērtība nesniegs precīzāku rezultātu.
Sniega bumbas efektu, ko rada nelielas ietekmīgu apstākļu izmaiņas, sauc par tauriņa efektu. Šī metafora liek domāt, ka tauriņš, kas plivinās ar spārniem, gandrīz nemanāma ietekme, varētu veicināt viesuļvētras attīstību otrā zemeslodes pusē. Edvards Lorencs veica pirmās datorsimulācijas 1960. gados, kas demonstrēja dinamisku nestabilitāti ar faktiskiem vienādojumiem un datiem.
Sākotnējos apstākļus nevar izsecināt no vēlākiem apstākļiem, ne arī otrādi, vairākās svarīgās sistēmās, piemēram, atmosfēras spiediens un okeāna straumes, kas ietekmē laika apstākļus un klimatu. Tas nav tikai reālās dzīves scenārijs, ko izraisa pārāk maz termometru okeānā. Haosa teorija ir pārbaudāma, matemātiski konsekventa teorija, kas parāda, ka dažkārt arvien precīzāki mērījumi, kas pievienoti vienādojumos, nesniedz arvien precīzākas prognozes, bet gan tik ārkārtīgi atšķirīgas vērtības, ka tās praktiski nav izmantojamas.
Daži fiziķi strādā pie saiknēm starp šo šķietamo nejaušību un liela mēroga struktūru. Viņi pēta globālā klimata modeļus, galaktiku masu sadalījumu superkopās un populācijas izmaiņas ģeoloģiskā laika skalā. Viņi izvirza hipotēzi, ka makroskopiskā līmenī noteikta veida organizācija un konsekvence ir iespējama tikai haosa teorijas nesakārtotības un nekonsekvences dēļ.