涌现论综述

涌现过程

涌现过程是一个变化过程,随着系统的整体结构和功能转变成一种新的行为方式,这种过程涉及非线性、突变的相变,表现出在转变之前无法预测的新特性。

涌现过程可能与线性变化过程形成对比。对于线性系统,系统的整体行为始终是部件之间相互作用的直接结果。宏观层面的特征和行为可以从微观层面的基本部分直接计算出来,微观层面的变化会在宏观层面产生相应的变化。例如,汽车机械零件的微观变化会导致其位置的宏观变化。

系统的任何未来或过去状态都可以理解为基本组件中的一些变化的组合。例如,我们可以预测很远很远的将来日食的发生,因为太阳系的未来状态是由其基本部分的变化来控制的。我们可以预测未来行星的位置,这在质量上与过去经历过的状态相似,也就是说,不会发生质量上的不同。

许多建模技术都是基于这样一种假设,即没有涌现,整个变化过程是其微观相互作用的总和。例如,在经济学中,动态随机一般均衡模型( DSGE )试图解释总体经济现象,如经济增长、商业周期以及货币和财政政策的影响,这些现象源自微观经济现象。线性系统同样显示了输入和输出之间的比例关系,这意味着变化通常以递增的方式发生。

涌现过程不同于线性变化过程。涉及涌现的系统,即具有两个不同层次的组织,可能会在两个层次上发生变化,其中宏观层次上的变化与微观层次上的变化不直接相关。宏观层面经历了有自己结构的变化过程。而对于更简单的系统,随着出现,宏观水平状态与微观水平直接相关,宏观水平状态可能或多或少地与微观水平分离。

例如,生态系统、社会和经济经历了宏观层面的变化过程,如继承和工业化,它们在宏观层面有自己的动态,通常所有的部分都必须一起进入一个新的宏观层面的制度,这给部分带来了下降的原因。当系统收敛于一组新的规则或协议时,系统内出现了新的宏观机制,这些规则或协议驱动所有部件采用新的模式。例如,现在我们已经将数字作为信息编码的基本格式,每个人都有很强的正外部性,将数字用作模拟变得越来越不兼容,因此随着宏观层面的制度转变,我们会从模拟快速转变为数字,这种转变会发生得非常快,因为正外部性会产生正反馈。这样,新的宏观制度可以在整个经济、社会或技术基础设施中迅速出现,转变成一种新的组织模式,这种模式很难事先预测。这一重大、快速、宏观层面的变化被称为阶段转变。

相变是一个系统中不同整体组织状态之间变化的涌现过程。相变可以理解为由输入变量内的一些微小变化触发的系统整体宏观状态的快速突变。因此,随着线性变化,宏系统会根据一些可用输入的变化而成比例地变化,而涌现过程则不是这样,在它的发展过程有几个关键阶段,在这几个阶段中,只要控制变量稍有变化,它的宏观结构就会有很大的不同。

这方面最简单的例子是水从气体变成液体变成固体冰时所经历的不同阶段。在从液体转变为蒸汽的情况下,随着温度的升高,当系统在一个大气压的恒定压力下接近100摄氏度的临界值时,这种转变会突然发生。

在相变中,如铁磁性中的自发磁化,在特殊条件下,系统中会出现长程有序关系。与线性变化不同,线性变化在很大程度上是由微观特性的统计平均值来解释的,它们是部件以同步方式协同工作的结果,在这种方式下,整个系统出现了独特的特性,而不是简单的平均值。

系统阶段的性质不能与构成系统的基本元素的微观性质相关。因此,相变过程通常不需要我们理解它们所依赖的微观机制。将系统作为一个整体就足够了,由此,我们可以推断出一般的相变行为是类似于所有涌现过程中发生的宏观动态。因为这样的系统特性不需要从微观动力学中推导出来,所以它们是涌现的。

当一个系统经历相变时,它的微观成分会迅速重新配置成一个性质不同的宏观结构。然而,部件本身的特性保持相对不变。之前和之后的宏观状态对应于微观状态的大致相同的配置,即相变涉及宏观层面上的系统重组,而部件的性质和其他局部条件只有有限的变化。

这种产生相变的涌现过程可以在广泛的系统中看到,包括物理、生物和社会系统。这方面的一个例子可能是种族暴力的爆发。种族暴力现象可以被视为从混杂但不具侵略性的人群向偶尔突然爆发大规模冲突的过渡。在广泛的暴力爆发之前,社会成员内部的种族主义和敌意的潜在水平可能保持相对相似,这代表着一个和平与稳定的宏观制度,随着这个制度转变成暴力爆发,另一个广泛的暴力制度。因此,这并不是说成员们必然变得更加种族主义和敌对,而是说,这个系统已经接近了一个阶段过渡,一个小事件触发了它从一个宏观制度向另一个宏观制度的转变,而组成部分的属性变化很小。

因为涌现相变是不连续的——这意味着它们从一个整体状态过渡到另一个状态,它们之间有有限的重叠——它们涉及到变化的临界点。

这些临界点是宏观层面上的离散变化。临界点的出现是由于系统具有互斥的机制,因此,不是一个机制逐渐让位于另一个机制——这将是没有临界点的持续变化——当机制互斥时,会发生的是在临界点从一个机制向另一个机制的离散和快速转换。我们可以从独裁政权的变化中看到这一点。因为它们是专制的——意味着只能有一个宏观政治政权——政权之间的变化必须涉及一个关键的阶段转变点;这是我们从经验上看到的,因为当一个政权倒台时,通常会有积极的反馈推动着一个新的政治体制的快速发展。

新的变化过程创造了全新的系统。虽然线性发展过程中,这种变化是在可以量化的部件的属性范围内,但是政权更迭会改变整体的结构和功能,从而导致质量上的新行为和特征。例如,如果我们考虑学习一门新的学科,比如物理或化学,首先我们要学习个别的知识,并试图在现有的概念框架内一点一点地理解这个学科;从而以定量的方式获得更多的知识。但是在某一点上,你可以在一个领域内建立完整的理解体系,以创建一个完整的概念框架。在这一点上,人们看待物理系统的方式将会发生质的变化,代表了一种质的变化

新的概念制度。在这个阶段积累更多的知识用处有限,因为一个人现在有了产生自己知识所需的整体结构,因此,由于宏观系统的结构,一个全新的功能已经出现。同样,在这个阶段,从学习到创造知识,从学生到研究,都发生了政权更迭。

同样,这可以从学习一些新的实践技能中看出。当一个人开始学习或实践新的东西时,他会积累一些孤立的规则:“这样做”,“如果发生了,就这样做”,“不要忘记”等等。这些是对行为的增量量化改变,因为人们基本上只是收集指令列表,并以迭代的方式处理它们。然而,在某个时候,如果成功,这些孤立的规则将开始变得连贯一致,因为它们会结合成一种新的行动方式。在这一点上,人们将开始看到它们被整合到某个总体框架中,人们开始从这个总体框架中采取行动,而不仅仅是执行孤立的规则。这是一个质的变化,因为它引发了新出现的宏观行为和功能性。

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