涌现论综述

模式形成

模式是系统内元素状态之间的任何一组相关性。模式形成是指元素状态之间的一组连贯关联形成并持续一段时间的过程。在研究任何模式时,我们感兴趣的一个主要问题是它是如何产生或形成的?在回答这个问题时,我们可以从根本上区分那些通过其他外部组织强加的命令创建的模式,或者那些通过内部生成的模式创建的模式。

术语模式形成通常指内部生成的模式。通过模式形成,我们意味着某些系统能够从最初的非结构化或同质状态自组织成结构化状态。这种内部模式形成过程是一种普遍现象,因为它已经在物理、生物、经济和社会系统中得到确认。

涌现模式形成的一个主要特征是缺乏集中控制。这种涌现模式形成的过程仅使用局部动力学来影响系统的全局行为。组织中没有任何一个部门协调宏观行为。因此,通常不可能直接控制宏级模式;仅可能影响微水平部分。涌现模式的一些例子包括风或水在沙丘上形成的波纹模式。成群结队是许多动物和昆虫群落中众所周知的涌现行为。像交通堵塞这样的交通模式的发展,以及新文化的形成和采用,都是由各部分之间的局部互动形成的内部模式。

内部产生的模式形成的中心特征是正反馈。正反馈是一个越多越好的过程,也就是说,我们拥有的东西越多,我们将来会得到的东西越多。复利是正反馈的一个例子,账户中的钱越多,利息越多,这意味着未来账户中的钱越多,这将产生更多的利息,等等。

在模式形成过程中,正反馈可以让一些小的——可能是随机的——事件在系统中占据一席之地,并被放大成全局模式。例如,我们可以在沙丘的形成过程中看到积极的反馈。流过沙子的风携带着小沙粒。地面上轻微的不平整会增加谷物在高点聚集的可能性,从而产生堆积,然后增大这个小块的尺寸,然后反馈来增加更多谷物在这一点聚集的可能性。随着时间的推移,沙丘可能会形成,但从书本上来看,沙丘不可能永远堆积起来,因为沙丘越来越高,两边越来越陡,谷物越来越容易滑落。这是负反馈,限制了模式的形成。沙丘完全覆盖的模式或风的涟漪是许多沙丘累积起来的产物,直到它们相遇,形成完整的模式。

另一个例子是在加热的水中形成对流单元。对流单元出现,将热量传递到液体表面附近的较冷区域,热量在那里散发。与此同时,冷却的液体被推到底部重新加热,在水中产生循环运动,并通过温水和冷水之间的内部相互作用形成模式。在非常不同的物理和生物系统中可以发现类似的六边形和条纹模式。例如,在斑马的皮肤和人类指纹上可以观察到这些条纹模式。

蚂蚁觅食是通过正反馈形成模式的另一个例子。蚁群中没有中央组织;协调是通过蚂蚁之间的化学信息素交换来实现的,作为一种交流手段,蚂蚁之间的化学信息素交换是直接的。当蚂蚁找到食物来源时,它会在返回蚁群的路上分泌信息素。然后,其他蚂蚁会抓住这个线索,追踪源头,如果它们也找到食物,它们也会留下信息素踪迹。因此,一种更强烈的气味会积累起来,反馈给更多的蚂蚁跟随。这也是一种正反馈形式,导致了局部互动的全球格局的形成。

社会组织中的另一个例子是开源项目的开发。许多开源项目已经启动,但是只有少数成为大规模稳定的组织模式,比如维基百科或Wordpress这也是积极反馈的产物。对项目作出贡献的人越多,参与使用该系统的人越多,该系统将会得到更多的推广和曝光,对其他人来说,该系统将会变得更有吸引力。

在以上这些例子中,人们可以注意到,在某种程度上,输入系统的能量使得内部模式得以形成。无论是风移动沙粒,热量移动水,蚂蚁的食物,还是人们的工作和注意力推动了社会组织。涌现模式形成可能是内部产生的,但是它通常需要一些能量输入,这可以帮助我们理解为什么这个过程需要消耗能量。

通常,系统中的元素会自行组织起来,以便更好地拦截和转换能源——无论是随机的还是有目的的。对于许多物理系统,这有点随机。随着沙丘的堆积,正是地表的随机差异使得一些地区能够利用风力来建造他们的建筑。但是在许多生物系统中,这个过程不太随机,在社会系统中,它可能是完全有目的的。

在这些情况下,在一个层次上有一个随机的元素排列,在另一个层次上有一些能量源,这些部分只能通过形成特定的全局模式来拦截那个能量源。任何一组能够形成这种特定模式的组件都能够获得能量,这将产生积极的反馈。由此组织可以获得更多的能量,并将更多的能量重新分配给其组成要素。这意味着更多的元素将被吸引到这种配置中,这将导致更多能量的拦截,等等。

例如,我们可以用这种方式理解进化。生物使用的许多能源只能通过许多不同的部分来获取,这些部分协调它们拦截和转化资源的活动。例子包括光合作用和哺乳动物消化。这些活动需要数百万细胞和组织的协调;孤立地看,没有一个部件能够拦截这些能源。

共生理论中也包含了这一观点,该理论提出了真核细胞的几个基本细胞器起源于不同单细胞生物之间的共生。不同的更基本的组织结合在一起,形成更复杂的有机体,然后能够区分它们的内部特征,实现更大的整体功能,从而变得更有潜力。

例如,一些珊瑚可以通过光合作用截取和处理光,摄取藻类,然后形成珊瑚结构的一部分。海藻可以在珊瑚的组织中找到,通过光合作用产生食物,然后被珊瑚吸收,作为回报,宿主珊瑚给海藻提供了栖息地。

这种模式形成的过程可以被理解为一种适应的形式,一种系统适应其环境的过程。也就是说,涌现模式的形成是一个过程,涉及系统与其环境之间的相互作用,系统的各个部分根据环境的变化来组织自己。通过这样做,我们可以形成更高级别的模式来拦截新的资源。

例如,我们可以问,我们是如何从非生命元素中获得生命的?从物理学的角度来看,无生命的碳原子复合物和有生命的系统之间的主要区别在于,后者可以拦截和处理其环境中的能量;但是要做到这一点,部件必须以特定的方式排列。

基于热力学原理的这一理论的一种表述认为,当原子的组合被外部能源(如太阳)驱动,并被加热的环境(如海洋或大气)包围时,系统通常会缓慢地自我重组,以便随着时间的推移消耗更多的能量。在某些情况下,这可能会导致无生命的物质长时间地采用与生命相关的关键物理属性。麻省理工学院的一名研究员杰里米·英格兰正式提出了这种理论,他说:“你从一团随机的原子开始,如果你在它上面照射足够长的时间,你会变得很好,这并不奇怪。”

简单说明社会系统中的模式形成有助于阐明这一过程的基本组成部分。拿10个养蜂人来说,他们都需要购买糖来喂养蜜蜂,但是他们每个人都有有限的预算。如果他们各自单独购买,他们将不得不从当地商店购买单独的包裹,这将花费他们太多以至于无法生存。然而,如果他们成立了一些组织,他们可以去经销商那里,以折扣率为整个集团批量购买,这是一个可行的选择。

在这个例子中,我们可以看到在缺乏组织的初始条件下-即模式-他们无法拦截资源。但是通过形成某种组织模式——即交流计划,收集所有的钱,购买糖,然后分发;所有这些都需要重要的组织——他们能够拦截使整个组织更加可行的资源和发展的电缆。同样的过程在整个社会经济系统中普遍存在,因为社会系统并不依赖于这种模式形成过程中的随机性,但是个人的认知能力可以识别并有目的地朝着更高层次的组织努力。

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