Emergencja - Polski Serwis Naukowy

"Katedra" zbudowana przez termity: klasyczny przykład emergencji w przyrodzie

Emergencja (łac. emergo – wynurzam się) jest to powstawanie jakościowo nowych form i zachowań z oddziaływania między prostszymi elementami. Przykładem takiego zjawiska jest proces myślenia powstający z interakcji pomiędzy wieloma neuronami w ludzkim mózgu (choć żaden neuron nie jest sam z siebie zdolny do myślenia).

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Barwa – wrażenie psychiczne wywoływane w mózgu człowieka (i zwierząt), gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła, a pisząc dokładniej, z widzialnej części fal świetlnych. Główny wpływ na to wrażenie ma skład widmowy promieniowania świetlnego, w drugiej kolejności ilość energii świetlnej, jednak niebagatelny udział w odbiorze danej barwy ma również obecność innych barw w polu widzenia obserwatora, oraz jego cechy osobnicze, jak zdrowie, samopoczucie, nastrój, a nawet doświadczenie i wiedza w posługiwaniu się zmysłem wzroku.

Zjawisko określa się jako emergentne, jeśli w jakimś sensie nie można go opisać opisując jedynie jego części składowe. W ścisłym sensie naukowym oznacza to nieredukowalność danego zjawiska. Ponieważ jednak nieredukowalności w żadnym przypadku nie da się jednoznacznie udowodnić, pojęcie emergencji nie ma też jednoznacznej definicji i jest używane w różnych znaczeniach. Często oznacza po prostu, że znany nam uproszczony opis zjawisk niższego poziomu nie jest wystarczający do opisania zjawiska wyższego poziomu (czyli nie wiemy jak ono powstaje).

Tarcie (pojęcie fizyczne) (opory ruchu) to całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych (tarcie zewnętrzne) lub elementów tego samego ciała (tarcie wewnętrzne) i powodujących rozpraszanie energii podczas ruchu.

Conatus (z łaciny wysiłek, tendencja) - termin, używany we dawniejszej filozofii na określenie wrodzonego starania o zachowanie życia i przetrwanie - dalszą egzystencję. Może dotyczyć materii, umysłu, istoty. Jednak znaczenie słowa różnie interpretowali filozofowie. Termin sformułowano już w starożytności.

Emergentne własności

Zachowanie emergentne pojawia się, gdy opisujemy dużą liczbę prostych jednostek jako jeden obiekt, którego zachowanie jest bardziej złożone niż zachowanie jednostek. W przypadku emergencji związanej z różnicami skali wielkości, powodem zwykle jest uporządkowanie i wzmocnienie jakichś specyficznych oddziaływań między jednostkami, wywołujące efekty obejmujące całą grupę. Zjawisko takie najczęściej jest niemożliwe do przewidzenia na podstawie obserwacji małych grup. Przykładowo żadne fizyczne cechy cząsteczek wchodzących w skład powietrza nie sugerują, że ich duża ilość utworzy obiekt (powietrze) mogący przekazywać fale dźwiękowe.

Neuron – rodzaj komórek występujących w układzie nerwowym. Najwięcej neuronów znajduje się w ośrodkowym układzie nerwowym. Neurony składają się z ciała komórki (perikarion albo soma) oraz wypustek cytoplazmatycznych: dendryty i akson, za pomocą których wytwarzają połączenia z innymi neuronami, bądź komórkami efektorowymi (wykonawczymi). Połączenie między komórkami nerwowymi zwane jest synapsą.

Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów).

Jednym z powodów, dla których zachowania emergentne są trudne do przewidzenia, jest liczba oddziaływań między elementami, które należy uwzględnić przy ich symulowaniu. Często wystarczające jest uwzględnienie jedynie bardzo prostych oddziaływań: przykładowo określenie w prosty sposób reakcji każdej ryby na zachowanie jej sąsiadek wystarcza do zasymulowania ruchu całej ławicy. To samo nie jest jednak możliwe w przypadku powietrza, z uwagi na astronomiczną liczbę cząsteczek do zasymulowania.

Wataha – grupa wilków lub dzików działająca razem, w szerszym znaczeniu termin odnoszony również do stada psów, likaonów lub jenotów. Posiada określoną hierarchię wewnętrzną. Jest to zwykle grupa rodzinna składająca się z pary rodzicielskiej oraz młodych z jednego lub kilku miotów.

Ptaki (Aves) – gromada stałocieplnych zwierząt z podtypu kręgowców. Jest najbardziej zróżnicowaną spośród gromad kręgowców lądowych – istnieje około 10 000 gatunków ptaków, które zamieszkują ekosystemy na całym świecie. Ich wielkość waha się od 5 cm u koliberka hawańskiego do 2,7 m u strusia.

Z drugiej strony, sama ilość oddziaływań nie wystarczy do wytworzenia emergentnego zachowania. Jeśli nie zachodzą między nimi odpowiednie relacje, mogą one wzajemnie się wygaszać, generując w większej skali jedynie szum. Przykładowo ilość reakcji zachodzących w żywym zwierzęciu nie jest większa niż ilość reakcji zachodzących w jego gnijących zwłokach, ale w tym drugim przypadku nie obserwujemy złożonych i kompleksowych zachowań. Ten przykład pokazuje emergencję wynikającą z hierarchicznej organizacji. Więcej uwagi poświęca się jednak emergencji w zdecentralizowanych strukturach, takich jak np. wolny rynek.

Myślenie (inaczej poznanie lub rozumowanie) – złożony ciągły proces zachodzący w mózgu, polegający na skojarzeniach i wnioskowaniu, operujący elementami ludzkiej pamięci jak symbole/pojęcia/frazy lub obrazy i dźwięki.

Wzorzec to słowo, które może oznaczać wzór jednostki miary, wzór rzeczy, wyrobu albo zalecany wygląd lub zachowanie się osoby (wzór do naśladownia) lub zwierzęcia. Wzorzec to zwykle coś pozytywnego, godnego naśladowania a także cel do którego należy dążyć.

Systemy o własnościach emergentnych mogą być postrzegane jako łamiące drugą zasadę termodynamiki, ponieważ samoistnie porządkują się, bez udziału centralnego źródła kontroli. W rzeczywistości zasada ta nie jest łamana, gdyż dzieje się to zawsze kosztem oddawania entropii do otoczenia.

Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

Teoria superstrun – teoria fizyczna próbująca wyjaśnić wszystkie znane rodzaje cząstek elementarnych oraz sił natury jako wibracje supersymetrycznych strun.

Zjawiska emergentne powstają po osiągnięciu przez system pewnego progu złożoności, powiązań lub organizacji. Pozwala to tłumaczyć takie zjawiska jak inteligencja bez odwoływania się do nadnaturalnych pojęć: nie musi być ona związana z niematerialną duszą, a może wynikać z oddziaływania pomiędzy bardzo wieloma prostymi neuronami.

Holizm (od gr. holos - całość) to pogląd (przeciwstawny redukcjonizmowi), według którego wszelkie zjawiska tworzą układy całościowe, podlegające swoistym prawidłowościom, których nie można wywnioskować na podstawie wiedzy o prawidłowościach rządzących ich składnikami.

Redukcjonizm – pogląd w filozofii nauki, stanowisko metodologiczne przyjmujące, że możliwe i właściwe jest wyjaśnienie i opis własności złożonego układu poprzez opis i wyjaśnienie zachowania jego części. Zgodnie z redukcjonizmem badanie złożonego układu powinno zostać rozpoczęte poprzez wyróżnienie jego fragmentów, określenie mechanizmów i sposobu w jaki owe fragmenty się zachowują i następnie opisanie zachowania złożonego z nich układu jako konsekwencji własności wcześniej wydzielonych fragmentów oraz sposobu ich złożenia – struktury tak utworzonego systemu. Taki system – złożenie zbioru elementów (wraz z ich atrybutami) z nałożoną na nie strukturą – posiada nowe atrybuty (własności), niebędące atrybutami żadnego ze składowych elementów, ale odnoszące się do systemu jako całości (np. wartość logiczna zdania twierdzącego: prawda/fałsz jest atrybutem całego poprawnego strukturalnie zdania, ale nie słów – jego elementów).

Emergentne struktury w przyrodzie

Struktura emergentna to wzorzec, który nie powstał w wyniku jednego zdarzenia ani jednej reguły. Nie istnieje nadrzędna przyczyna powstawania takiego wzorca, a jedynie interakcje pomiędzy częściami prowadzą do wytworzenia porządku. Struktury takie można zaobserwować w wielu naturalnych zjawiskach, od fizycznych do biologicznych.

Fraktal (łac. fractus – złamany, cząstkowy) w znaczeniu potocznym oznacza zwykle obiekt samo-podobny (tzn. taki, którego części są podobne do całości) albo "nieskończenie subtelny" (ukazujący subtelne detale nawet w wielokrotnym powiększeniu). Ze względu na olbrzymią różnorodność przykładów matematycy obecnie unikają podawania ścisłej definicji i proponują określać fraktal jako zbiór, który:

Ssaki (Mammalia) – zwierzęta należące do kręgowców, charakteryzujące się głównie występowaniem gruczołów mlekowych u samic, obecnością owłosienia (włosy lub futro) oraz stałocieplnością (potocznie "ciepłokrwistość"). Większość ssaków utrzymuje temperaturę w granicach 36-39 °C. Stałocieplność umożliwia aktywny tryb życia w różnych środowiskach – od mroźnych obszarów podbiegunowych do gorących tropików. Futro i tłuszcz pomagają uchronić się przed zimnem, a wydzielanie potu i szybki oddech pomagają pozbyć się nadmiernego ciepła.

Układy fizyczne

W fizyce emergencja opisuje cechę, prawo lub zjawisko obserwowalne w skali makroskopowej, ale nie występujące w skali mikroskopowej (mimo że obiekty makroskopowe można opisywać jako zbudowane z dużej liczby mikroskopowych obiektów). Przykładami są:

kolor – cząstki elementarne takie jak elektrony i protony nie posiadają koloru. Dopiero po połączeniu w atomy mogą absorbować i emitować specyficzne długości fali, co opisywane jest jako posiadanie koloru.

tarcie – atomy nie wytwarzają tarcia, gdyż wszystkie siły jakim podlegają są zachowawcze. Dopiero odpowiednie ułożenie atomów w strukturę umożliwia przekształcanie energii mechanicznej w ciepło, co obserwujemy jako tarcie. Podobne opisy odnoszą się do innych emergentnych własności takich jak lepkość, sprężystość, wytrzymałość itp.

mechanika klasyczna – prawa mechaniki klasycznej można określać jako emergentne, wynikające z uśrednienia zasad mechaniki kwantowej po wszystkich elementach obiektu makroskopowego. Jest to szczególnie interesujące, gdy się zauważy, że mechanika kwantowa jest zwykle uznawana za bardziej skomplikowaną, podczas gdy w większości przypadków zakładamy, że zasady niższego poziomu są mniej złożone niż wynikające z nich własności emergentne. Podobna zależność występuje przy prawach termodynamiki. Są one relatywnie proste, choć wynikają ze złożonych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami.

Niektóre współczesne teorie fizyczne określają nawet tak podstawowe pojęcia jak masa, przestrzeń i czas jako emergentne, będące przejawem bardziej fundamentalnych zjawisk (bozon Higgsa, teoria superstrun).

Wolny rynek jest to rynek, na którym wymiana dóbr dokonuje się w wyniku dobrowolnie zawieranych transakcji pomiędzy kupującymi a sprzedającymi przy dobrowolnie ustalonej przez nich cenie. Na wolnym rynku kupujący i sprzedający nie podlegają żadnym ograniczeniom ani przymusowi ze strony podmiotów zewnętrznych (np. władzy publicznej), a warunki transakcji - w szczególności cena - zależą jedynie od ich obopólnej zgody. Przeciwieństwem wolnego rynku jest rynek regulowany.

Kresomózgowie (łac. telencephalon), inaczej mózg (łac. cerebrum) – część mózgowia obejmująca półkule mózgu, spoidła mózgu (w tym ciało modzelowate), blaszkę krańcową, jądra podstawne oraz węchomózgowie. Kresomózgowie nadzoruje większość czynności fizycznych i umysłowych. Różne obszary kresomózgowia są odpowiedzialne za rozmaite reakcje świadome.

Układy biologiczne

Najłatwiej obserwowalnymi układami emergentnymi są roje i ławice. Różne typy zachowań społecznych u zwierząt powodują powstanie różnych typów kolonii: mrowiska, gniazda termitów, roje pszczół, klucze ptaków, stada ssaków, ławice ryb czy watahy wilków. Przykład mrowiska jest szczególnie ciekawy do dokładniejszego opisu. Królowa nie wydaje mrówkom poleceń, co mają robić. Zamiast tego, każda mrówka reaguje na stymulację w postaci sygnałów chemicznych od larw, innych mrówek, intruzów, pożywienia i gromadzących się odpadów. Sama zostawia chemiczne ślady wpływające na zachowanie innych mrówek. Każda mrówka jest więc autonomiczną jednostką reagującą jedynie na swoje otoczenie. Pomimo braku centralnego ośrodka decyzyjnego, mrowiska przejawiają złożone zachowania i potrafią rozwiązywać zadawane im problemy. Przykładowo miejsce składowania martwych ciał umieszczane jest zawsze w maksymalnym oddaleniu od wszystkich wejść do mrowiska.

Sieć neuronowa (sztuczna sieć neuronowa) – ogólna nazwa struktur matematycznych i ich programowych lub sprzętowych modeli, realizujących obliczenia lub przetwarzanie sygnałów poprzez rzędy elementów, zwanych sztucznymi neuronami, wykonujących pewną podstawową operację na swoim wejściu. Oryginalną inspiracją takiej struktury była budowa naturalnych neuronów oraz układów nerwowych, w szczególności mózgu.

Joachim Metallmann (ur. 1889, zm. 21 sierpnia 1942 w Buchenwaldzie) - filozof nauk przyrodniczych, metodolog, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, (interpretator filozofii Whiteheada).

Zobacz też