涌现论综述

概观

涌现是系统和复杂性理论中的核心概念之一,因为它描述了一个成为或创造的普遍过程,当我们将基本部件相互作用并自组织起来创造新的组织模式时,新的特征和特性就会出现。从宇宙的演变到交通堵塞的形成,从社会运动的发展到鸟类的成群结队,从数万亿细胞的合作导致人体死亡,到飓风和金融危机的形成,涌现是一个非常抽象的概念。

虽然涌现的概念几千年来一直受到许多人的关注,但它经常被视为一种病态。随着复杂性理论的发展,我们可以使用越来越多的计算和概念工具以结构化的科学方式来理解它。在这本书中,我们将借鉴复杂性和系统理论中的不同观点,以连贯的方式构建理解涌现的框架。更具体地说,我们对涌现的探索将从非线性模式形成的角度展开。在这种情况下,基础部分之间的协同作用产生了自组织,形成了一种独特的模式,这种模式由演化动力学驱动,创造出了新的组织层次。

本文由四个主要部分组成。

  1. 在第一部分中,我们首先讨论一般的关联模式,然后再看协同互动,这是涌现的基础。
  2. 下一节集中讨论模式的形成,即零件如何自组织的问题;将他们的状态同步化,形成一个新的组织层次。在这里,我们将讨论经常使用的两种主要不同类型的涌现;所谓的强势和弱势涌现。
  3. 在第三部分中,我们将研究整合层次的概念,协同作用如何导致模式形成,以及被称为整合层次的新的组织层次的出现。我们将讨论这些不同的层次是如何形成自己不可简化的内部结构和过程,从而在微观和宏观组织层次之间产生复杂的动态。
  4. 最后一部分,我们将看看在某个过程中,涌现是如何随着时间的推移而出现的。我们将讨论混沌边缘假说;为什么自组织的、涌现的系统从未完全锁定到位,而是通过秩序和无序之间的动态相互作用来进化,以创造新的复杂度。

本文不需要任何具体的科学背景就可以阅读,它与许多不同的领域相关,特别是计算机科学、生物学和生态学、哲学、认知科学领域的领域,它适合任何对用复杂性和系统理论框架更好地理解涌现这一核心概念感兴趣的人。

涌现

涌现是哲学、艺术和科学中的一个术语,用来描述当我们将事物组合在一起时,新的属性和特征是如何产生的。涌现描述了一个过程,通过这一过程,组成部分相互作用形成协同效应,这些协同效应随后增加了组合组织的价值,从而产生了一个新的宏观组织层次,这是部分之间协同效应的产物,而不仅仅是部分本身的属性。

因为涌现属性是部件之间协同作用的产物,所以它们不能在子系统中局部观察到,而只能作为全局结构或集成网络观察到。以这种方式,出现创造了一个具有两种或两种以上不同的、不可简化的组织模式的系统,称为一体化层次。

因此,当提到涉及涌现的现象时,新的描述词汇对于不同的层次是必要的。因为宏观涌现现象不能在适用于零件的词汇中描述;这些新出现的特征需要新的术语和新概念来对它们进行分类。从某种意义上来说,由于涌现现象被认为是不可减少的,从其基本组成部分来看,预测涌现现象的最佳手段是计算机模拟。

涌现包括创造一些新的东西,这些东西是在创造之前从对零件的描述中无法预料的。这些新产生的东西具有一个强度谱。它解释了不同类型的涌现,这些涌现被描述为强或弱。在强度谱的最弱端,这些新奇的现象可能只是看起来不同,而在它们出现之后,我们仍然可以理解清楚它们是如何从一些基本部分中衍生出来的。在强度谱的最强端,一件事是由另一件事引起的,但决不能还原成那件事。

涌现的经典例子可以在群居昆虫如蚂蚁和蜜蜂在创造蚁群和巢穴的集体行为中找到。在人类社会组织和人类意识中还发现了许多其他例子。水的溶剂特性是经常被引用的涌现例子,因为氢原子和氧原子都不具备这种特性,也不具备这种特性的缩小版。溶剂作用似乎来自氢和氧的非线性组合。

涌现哲学研究中存在一个主要区隔,即所谓的本体论和认识论的涌现。认识论指的是知识以及一个人如何认识世界。认识论的出现是这样一种观点,即由于我们知识的限制,一些系统在实践中无法用它们的组成单位来描述,也就是说,我们无法获得所有相关信息和进行计算。

本体论是指存在的本质,它关注我们认为我们周围世界中事物的客观存在。随着本体论的出现,我们不仅仅是在陈述我们对世界的认识,我们也在陈述世界的真实情况。当我们谈论本体论的出现时,不管我们对世界的理解如何,我们都在陈述世界是怎样的。如果本体论的出现被识别,这意味着理论上不可能完全理解一个系统的组成部分,这不仅仅是因为实际的限制,而是因为新的和基本上不可约的组织层次出现在更高的层次。

涌现属性归属于元素的整个结构化集合,其中涌现属性不是单独获取的集合元素属性的加法函数。例如,人体的质量是孤立的所有部分的简单总和,因此不是一个涌现的特征。然而,人类意识似乎是一种涌现现象,因为我们不能把它作为基本认知部分的总和来描述。系统的行为更多地是由组件之间的交互而不是组件本身的行为造成的。整体的附加值——存在于零件及其特性之上和之外——是相互作用的产物。这些从整体上增加或减少价值的部分之间的特定互动称为协同作用。然后,涌现是系统各部分之间协同互动的产物。

当两个或两个以上的要素相互区别并协调它们的状态和活动时,就会产生积极的协同作用。差异化使部件专业化,而集成使它们能够协调不同的能力以实现整体结果,通过这样做,协同互动增加了整个系统的价值,我们得到了一些比其部件之和更大的组合组织:涌现。从传粉昆虫和植物的相互作用来看,这些协同作用在我们的世界中是一种普遍现象:微生物及其宿主、不同药物之间的相互作用、以及各种社会组织,如企业、家庭和朋友。

因为协同作用中的各个部分是相互区别和协调的,这意味着它们具有特定类型的交互作用,如果我们通过移动各个部分或者以不同的方式重组它们来改变交互作用,那么附加值可能会很大。例如,如果我们有一把锁和一组钥匙,这些钥匙中只有一把能够打开锁,尽管在质量和其他物理属性上,这些钥匙几乎完全相同,如果我们拿走除了正确的一把以外的任何一把钥匙,并将其与锁组合起来,这个组合将几乎为零,因为锁不会打开,因此这个组合将不起作用。但是,当我们把正确的钥匙和锁结合起来时,我们会得到一个有价值的整体运行系统。这种附加值来自钥匙和锁之间的协同作用,这种特定的钥匙和锁被设计成相互区别和协调,从而实现它们的组合功能。无论是锁还是钥匙都无法实现隔离保护某物的综合功能。因此,我们需要两个不同的部分,但它们也需要以某种方式共同工作,以获得整体运行的系统。其他钥匙不同于这个锁,但是它们没有和这个锁协调,因此当我们组合它们时,没有增加价值或功能。

协同互动产生了新的组织层次,这些层次有自己的内部属性、特征和动态。这些新出现的层次被称为整合层级。尽管这些新的层次并不直接依赖于其组成部分的性质,但已经出现的组织模式取决于其组成部分之间协同作用的完整性。如果我们消除协同效应,整合层级将会瓦解和消失。因此,不像简单的线性系统可以简化为单一层次的组织,涌现导致了不止一个层次的组织的发展,这些不同的层次代表了不同的环境和管理零件的规则集。

有了整合层级,我们就有了一种动态,其中更高的层次依赖于更低的层次,然而,更高的层次也创造了自己的组织模式,这种模式反馈给微观层次的基本部分来进行互动。所有涌现系统都由一组微观层次的构建块组成,这些构建块对系统设置了一组向上的物理约束,但是宏观层次定义了一种组织模式,然后通过为部件的操作创建上下文来对其施加向下的影响。例如,移动通过微处理器的电子是使计算成为可能的物理构件。处理器是对正在运行的宏级软件程序的物理限制之一。

然而,宏观层面上的程序正在执行一些与部件组织无关的过程——比如一个人用它来创建网站——所有人都认为软件的宏观层面操作完全依赖于处理器中移动的物理电子的微观层面,这个人在构建网站时正在执行的宏观层面过程的结构与计算机中正在进行的底层微观层面物理处理无关。这种软件活动可以在许多不同类型的计算机上以相同的方式进行,这些计算机在硬件中具有非常不同的底层模式,软件的上层是通过创造向下的效果来调节电子在微观层面上的移动。

由于在一个整体系统中不同层次的组织发展,涌现在不同层次之间产生了复杂的动态;最明显的是在系统的宏观和微观层次之间。产生某种形式出现的系统具有特定的微观-宏观反馈动态,这对于理解它们的整体行为变得重要。高层影响低层的动态是涌现的关键部分,它被称为向下因果关系。向下因果关系是指,在一个展现出涌现的系统中,作为涌现现象轨迹的更高或更宏观的层次会对最初涌现的系统中的更低层次的基底产生某种向下的因果影响。

这种相互作用可以在生物有机体中看到,因为个体器官和组织创造了整个有机体,但是有机体作为一个整体,反馈来调节这些部分。在社会中,个人创建机构,但这些机构会反馈,将个人约束到整个机构的目标。同样,经济和金融市场涉及宏观结构(如市场价格)和个人行为之间的持续互动。

在所有情况下,当我们从微观层面进入宏观层面时,涌现涉及对正在使用的系统的新描述,这可以在许多科学领域看到。例如,经济学分为微观经济学和宏观经济学,不同领域使用不同的术语。同样,理论物理仍然被分为微观层面的量子力学描述和宏观层面的广义相对论描述。在社会研究中,微观和宏观被分成两个不同的领域,有各自的词汇;谈论个人的心理学和谈论社会系统中宏观模式的社会学。这是因为,像社会运动一样,现象只出现在许多个体的同步活动中,因此不会成为个体研究的一部分,而只会成为整个社会群体研究的一部分。

然而,仍然存在的问题是,我们是出于权宜之计和缺乏知识而在每一个层面上形成不同的描述,还是我们这样做是因为从根本上来说,不可能从微观层面全面推导出宏观层面的描述?这种差异体现在强涌现和弱涌现两个方面。

弱涌现描述了任何涌现过程,给定足够的信息,理论上可以由计算机模拟。随着微弱涌现的过程,新的特征和特性可能会出现在一个无法事先预测的系统中。然而,一旦它们出现,至少从理论上来说,可以从下面的组成部分中得到它们;即使实际上这通常在计算上不可行。强烈涌现的过程是那些即使在理论上也无法从对底层组成部分的性质和相互作用的充分理解中导出的过程。然后,必须从宏观动力学的角度来理解更高层次的涌现特性和特征,而不涉及微观力学。

作为一种认识论,涌现反映了某种看待世界的方式,这可能与还原论形成对比。涌现的概念可以被认为是系统思维和整体范式背后为数不多的核心概念之一。整体论和还原论都导致了看待世界的截然不同的方式和进行科学研究的根本不同的方式。

划分这两种范式的核心问题是,我们的世界是否仅仅由几条基本法则来表达,这些法则直接支配着自然界最基本的部分,通过它们,它们构成了更复杂的系统?这将是还原论者所持的立场,自然会导致对更基本的基础部分的研究。或者涌现是否是我们宇宙的一个基本部分?在这种情况下,理论上甚至不可能将一切都简化为只涉及基本基本部分的账户,因此,我们应该集中精力研究如何理解不同层次上出现的组织模式的抽象原则。这将是更全面的方法所持的立场。

基本的还原论直觉是,世俗事件和过程只受几个基本属性的支配,通过几个基本物理定律联系起来,这导致了所谓的物理学的完整性。一切都是物理的,每一个事件、现象或过程都是由一些低级的物理交互作用引起的。

奥本海默和普特南在1958年为科学事业提供了经典的结构简化概念,他们明确地将科学视为一种等级结构,更高层次的科学领域显示为由更低层次的科学实体构成的复合物。这种等级可以被认为是一个金字塔,以减少为手段上下移动它的等级。在底层,我们有基础物理,在这些之上,我们有其他物理领域,然后是化学、生物学、心理学、经济学和其他社会科学领域。

其结果是一种有点疏远的世界观,以基本物理粒子为中心,以人类活动为某种形式的外围活动,从而形成了一个与我们日常世界经历相去甚远的知识库。涌现的想法导致了科学事业的一个非常不同的概念,这种概念并不试图分解事物,而是着眼于许多不同的层次来寻找所有人都共有的模式和过程。这种方法基于抽象,通过识别所有级别上所有类型系统共有的模式。整体论试图理解综合、协同和变化动态的基本过程,这在所有类型的系统中都可以看到。它不是将事物简化为物理元素和定律的有限子集,而是积极寻求多样性,以获得所有层次上出现的所有系统共有的抽象模式。在这里,科学的统一不是在基本部分寻找,而是在抽象的抽象模型中寻找,这些模型适用于所有系统,包括社会、物理、生物、工程。

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