涌现论综述

强涌现与弱涌现

涌现描述了当我们将组件和系统放在一起时,新的更高级别的属性、模式和功能是如何形成的。涌现在我们的世界中是一种普遍现象,几乎所有类型的复杂实体都表现出这种现象,例如植物、动物、人类社会、文化和经济。很明显,当我们把事情放在一起时,新的组织层次就形成了。当我们看一朵花时,我们看不到分子、细胞、组织和器官的组合,而是一整朵花,一个公司被赋予了与其成员无关的特征和法律权利。虽然这种不同层次模式的出现是显而易见的,但不明显的是,这些新出现的组织是否完全根据其基本组成部分来确定和理解。或者它们是否存在于某些为什么独立于构成它们的元素之外;这将意味着它们不能完全归结为源自元素部分的因果关系。

这种在涌现中的区别被描述为强势和弱势涌现。弱涌现指的是这样一种想法,即即使出现的现象是意料之外的,给定了管理低级领域的原则,它们仍然只能参照低级现象来完全解释。相比之下,当高层现象从低层领域中出现时,它是强涌现的,但是即使从低层领域的特征来看,有关该事件的事实在理论上也无法推导出来。

弱涌现是由于零件之间的相互作用而出现新的和意想不到的模式的现象,零件的数量和相互作用使得基于基本零件及其规则的计算变得极其困难。然而,从弱涌现的角度来看,如果有足够的计算能力,就有可能导出更高级别的现象,因此从理论上来说,它们被认为是一种衍生物。

新的现象和模式确实出现了,但是我们无法预测它们的原因是系统组件之间的交互数量随着元素的数量呈指数增长,我们通常没有处理这些问题的计算能力。

随着微弱的涌现,可以计算高层现象,但通常更容易直接观察。因此,这种微弱的涌现可以理解为一种解释性的涌现。也就是说,新出现的特征是本体上和因果上的导数,但是在实践中,由于计算复杂性,它们是不可解释的。

新的规则可能会出现在不同的层次上,但最终如果我们有计算能力,我们将能够理解所有不同层次的规则,相对于低级规则。因此,如果你有极高水平的计算能力,你就不需要关注更高水平的现象,而是从第一性原理来理解它;人们可以把它看作是由纯离散的细胞部分引起的。

弱涌现的一个很好的例子是像生命游戏这样的元胞自动机计算机程序。生命游戏是在方格格子上玩的,格子里的细胞可以是开的也可以是关的;有四个简单的规则来决定一个小区应该打开还是关闭,这取决于它紧邻相邻小区的状态。这些简单的规则,在计算时,可以创建非常复杂和微妙的涌现模式,这些模式似乎有自己的内部结构。例如一组细胞“眨”开或眨的眼罩,或者滑过屏幕的滑翔机,所有这些都是涌现现象。该程序对初始条件很敏感,很难根据初始条件和基本规则预测会出现什么。尽管这些程序可以创建涌现模式,但据说它们是弱涌现的,因为它们是由基本规则、开始状态决定的,并且没有向下的因果关系;宏级系统不改变微级规则。

这种微弱的涌现的特点是,随着系统的发展,各部分之间的相互作用导致了计算的复杂性和一些新出现的事物的出现,而事实上,理论上,这可以归结为基本部分的因果关系。一个人不能以任何简单的方式仅仅从基本规则中得出高级别现象。因此,简洁的表达——比如方程式——并不能告诉我们很多正在发生的事情,因为我们需要计算交互来产生高级现象。

随着弱涌现,较高层次的现象不会影响较低层次,即只存在向上的因果关系,宏观层次由微观决定,反之亦然。有一个不对称的决定流程,宏观层次的模式除了微观层次的事件影响基本部分的位置和行为之外,没有做任何事情。

当高层现象源于低层事件时,事件被认为是非常涌现的,但是对涌现模式的完整描述,即使在原则上,也不能归结为对基本部分及其相互作用的描述。除了不可约性之外,向下因果关系通常被作为强涌现的标准。

强烈的涌现意味着在组织的不同层次上出现了一些真正的新东西,理论上不能归结为对基本部分的描述。整体是真正不同于部分的东西。因此,当在一个层次上应用的规则被在另一个层次上本质不同的规则所取代——至少部分取代——时,谈论系统的本质不同的层次或维度是有意义的。这些更高层次的模式会对它们的组成部分产生向下的影响,影响它们的结构和功能。强烈涌现描述了高级系统对其组件的直接因果作用;这样产生的质量对于系统的组成部分来说是不可降低的。

给出的强涌现的经典例子之一是量子纠缠。量子纠缠是量子物理中的一种现象,其中两个粒子的自旋状态变成“纠缠”,这意味着一个粒子的状态完全取决于另一个粒子的状态。经验证明,组合的“缠结”组织决定了零件的自旋方向。这两个粒子可能相距几光年,但是如果其中一个粒子的自旋发生变化,这将立即反映在另一个粒子的自旋变化中。因此,合并后的组织在某种程度上影响了零件的下降原因。

物理学中另一个强涌现的例子是水,即使仔细分析了它的组成原子的性质,它也显然是不可预测的。似乎没有对系统的计算描述,因为这样的模拟本身就构成了系统的组成部分。在这种情况下,涌现现象不能仅仅参照基本规则来描述,而是需要某种形式的宏观规则。

虽然在封闭系统中,整体应该从理论上推导出来,并由部分引起,但是在开放系统中可能不是这样。这些部分构成了整体,但是系统必须作为一个整体与其环境交互,而不是作为一组部分。这种互动要求它作为一个整体来执行特定的功能和活动,例如步行,这只能通过协调和相互依存的两条腿的组合来实现。为了使系统在整个环境中运行,它必须对部件施加向下的影响,以便协调它们执行需要交互和响应环境的宏观过程。

例如,我们可以从工程和物理学的基本定律中推导出卡车的内部工作原理。但是使用这些基本的内部规则,我们永远无法得出为什么它被设计成在道路的左侧或右侧行驶。这种现象不是卡车设计的内在逻辑或控制其工作的物理法则的产物。相反,它是该系统与其他系统以及环境中的一些历史、政治和经济条件相互作用的产物;这可能被视为对卡车的设计造成向下的影响。

生物学家彼得·康宁写道:“关于是否可以根据零件的特性来预测整体的争论忽略了这一点。整体会产生独特的组合效果,但其中许多效果可能是由整体及其环境之间的背景和相互作用共同决定的。”

这个强势和弱势涌现的问题具有重大意义,因为它在很大程度上决定了我们是否应该将调查重点放在导致高层现象的微观结构和规则上;如果我们假设这个世界是弱涌现的,情况就是这样。或者我们是否应该专注于突发现象的内部模式,就像对强势突发的信念自然会产生的那样。

因此,强涌现和弱涌现的概念构成了还原论和整体论不同科学范式的部分基础。还原论基于这样一个前提,即复杂的现象可以被分解成简单的“构件”,从中可以重构高级事件。因此,一种简化的方法通常会归因于一种微弱的世界观。虽然复杂的宏观现象需要大量的计算才能从基本的物理构造块中得出,但是,如果有这样的能力,它们可以从基本的部分和规则中完全解释出来。微弱的突现理论激发了这样一种想法,即科学的目标是理解它们结合的基本构件和规则,并推动对“万物理论”的探索,就像在一些基本粒子中发现的那样;正如目前对弦理论等方法的探索一样。

相反,系统思维对模式和过程感兴趣,它不是指构建模块,而是指所有规模的所有类型的系统所共有的组织模式和变化过程,而不关心将更高级别的现象减少到更低级别的现象。因此,系统方法是建立在一种强烈的世界观之上的。鉴于强烈的涌现,由基本粒子(如字符串)衍生出来的“万物理论”最终将只是完整理解宇宙所必需的许多组成部分之一,因此不一定是唯一的一个。

在系统范式中,由于不能简单地将所有现象归结为基本部分的描述,所以提供世界统一描述的目标是抽象的。系统思维着眼于这些不同层次上的涌现模式如何具有相似的动态,并由此尝试开发与所有尺度相关的抽象通用模型,因为它们捕捉了所有层次上涌现过程的固有特征。

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