Haben Sie sich jemals gefragt, warum das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile?

Yang Mingzhe

Wenn so ein Kuchen vor Ihnen auf dem Tisch steht, möchten Sie ihn wahrscheinlich essen. Aber warten Sie, warum möchten Sie ihn essen? Man könnte sagen, weil ich Hunger habe und weil es lecker aussieht. Doch wer noch tiefer gräbt, stößt auf ein Mysterium, das die Wissenschaftler überrascht.

Der Fortschritt der Wissenschaft in den letzten Jahrtausenden hat uns die Entdeckung ermöglicht, dass alles in Einzelteile zerlegt werden kann. Wenn Sie ein System einmal vollständig zerlegt haben, werden Sie es verstehen. Aber etwas so Einfaches wie Kuchenessen ist schwierig. Die Gedanken, die mein Verhalten steuern, müssen aus dem Gehirn kommen, und das Gehirn kann in einzelne Neuronen zerlegt werden. Wenn Sie jedoch alle Neuronen fragen, wird Ihnen kein Neuron die vollständige Nachricht „Ich möchte Kuchen essen“ mitteilen. Scheinbar gewöhnliche Neuronen können tatsächlich zusammen ein so komplexes und hochentwickeltes Organ wie das menschliche Gehirn bilden. Das ist Emergenz .

Entstehung: Warum das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile

Dieses Phänomen kommt sehr häufig vor. Sie essen zwar nicht jeden Tag Kuchen, trinken aber auf jeden Fall jeden Tag Wasser. Bei hohen Temperaturen bewegt und dreht sich jedes Wassermolekül frei. Wenn Sie sich jetzt diese Kugel aus Wasserdampf ansehen, ist sie völlig symmetrisch , egal ob Sie sie von oben nach unten oder von links nach rechts betrachten. Wenn die Temperatur sinkt, werden die Wassermoleküle gezwungen, sich auszurichten und ein dichtes Kristallgitter zu bilden, das Eis ist. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt zu einem anderen Beobachtungswinkel wechseln, ist die Anordnungsstruktur der Wassermoleküle aus verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Die Symmetrie ist gebrochen. Dieses Phänomen wird von Physikern als spontane Symmetriebrechung bezeichnet.

In welcher Beziehung steht dies zur Entstehung? Tatsächlich hat ein Physiker namens PW Anderson argumentiert, dass die Symmetriebrechung die Grundlage der Emergenz sei . 1972 veröffentlichte er im Magazin Science den berühmten Artikel „Mehr ist anders“. Diese drei kurzen Worte vermitteln die Idee, dass Einfachheit die ultimative Wahrheit ist. Übersetzt heißt das: „ Mehr ist anders “, vereinfacht ausgedrückt heißt das: Je mehr es gibt, desto anders wird es. Die Frage ist also: Wenn es mehr sind, warum ist es anders? Eine Orange ist eine Orange, aber wenn man zwei Orangen zusammenlegt, ist das dann keine Frucht mehr?

Tatsächlich würden wir, egal wie viele Orangen es gibt, kein magisches Phänomen erwarten, bei dem eine quantitative Veränderung zu einer qualitativen Veränderung führt. Wenn Sie jedoch die Orangen durch Ameisen ersetzen, sieht die Sache ganz anders aus. Eine einzelne Ameise ist extrem dumm, aber eine Gruppe von Ameisen kann spontan eine Ameisenkolonie bilden. Sie bauen verwinkelte und komplexe Ameisenhaufen, entwickeln eine Arbeitsteilung und entwickeln Landwirtschaft und Viehzucht – manche Ameisen unterhalten Pilzfarmen, manche kümmern sich um Blattlausweiden und so weiter. Warum also, glauben Sie, tun Ameisen diese Dinge? Sie können die Antwort nicht erhalten, indem Sie eine einzelne Ameise fragen, genauso wie Ihre Neuronen das Konzept eines Kuchens nicht verstehen. Wenn jedoch eine große Gruppe von Ameisen über Pheromone miteinander kommuniziert, kann der Eindruck entstehen, dass das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile, und sie können ein hohes Maß an Intelligenz an den Tag legen.

Der Unterschied zwischen einem Haufen Orangen und einem Haufen Ameisen zeigt uns, dass „groß“ und „viele“ nicht unbedingt zu Emergenz führen. Tatsächlich müssen wir eine Grenze für die Beschreibung der Emergenz setzen, um zu sehen, unter welchen Bedingungen Emergenz auftritt.

Wann tritt Emergenz ein?

【1. Teilen Sie die Skala】

Zunächst müssen wir zwischen Beschreibungen unterschiedlicher Maßstäbe unterscheiden . Wenn ich beispielsweise sage, dass Wasser zu Eis gefriert, beschreibe ich eine makroskopische Veränderung, und wenn ich die Veränderungen einzelner Wassermoleküle beschreibe, beschreibe ich dies auf mikroskopischer Ebene. Auf diese Weise kann man beliebige Dinge beschreiben, indem man sie in Skalen einteilt. Das ist nichts Besonderes.

[2. Neue Ursachen und Wirkungen entstehen]

Als nächstes konzentrieren wir uns auf einige spezielle Systeme. Einige ihrer Ergebnisse auf der makroskopischen Ebene können aufgrund der gebrochenen Symmetrie nicht auf die mikroskopische Ebene übertragen werden, um Erklärungsgründe zu finden. Wir müssen also auf der makroskopischen Ebene eine neue „Ursache“ finden, um die makroskopische „Wirkung“ zu erklären. Der Grund für die neue Ursache liegt darin, dass wir ein System als Ganzes betrachten.

Wenn es beispielsweise um Wasserwellen geht, wissen wir, dass Wasserwellen aus Wassermolekülen bestehen, aber wie würden Sie ein solches Phänomen beschreiben? Würden Sie sagen: „Eine Wasserwelle breitet sich von links nach rechts aus“ oder „Ein Wassermolekül vibriert auf und ab und versetzt die umgebenden Wassermoleküle in Vibrationen, wodurch ein Phasenunterschied zwischen den Wassermolekülen in unterschiedlichen Räumen entsteht“? Offensichtlich ist es einfacher, die Wasserwellen als Ganzes zu betrachten, oder die Kausalität ist offensichtlicher. Heutzutage haben sich verschiedene Disziplinen für die Untersuchung der Themen, die sie beschäftigen, für den kausalsten Maßstab entschieden .

3. Wählen Sie die kausalste Skala

Durch die Kombination der drei oben genannten Schritte, einschließlich der Unterteilung von Skalen , der Entstehung neuer Ursachen und Wirkungen und der Auswahl der stärksten kausalen , erhalten wir den Prototyp einer Theorie namens kausale Emergenz. Diese Theorie wurde 2013 von einem Neurowissenschaftler namens Erik Hoel vorgeschlagen und ist heute eine der gängigeren Theorien zur Definition und Quantifizierung von Emergenz. Es sei darauf hingewiesen, dass Emergenz heute eher eine Beschreibung von Phänomenen darstellt und sehr inkonsistent ist. Die Theorie der kausalen Emergenz ist keine allgemein anerkannte Theorie, sondern vielmehr eine Methode, die versucht, Emergenz zu quantifizieren. Es gibt hierzu noch viele weitere Theorien, auf die ich hier nicht näher eingehen werde.

An dieser Stelle kann man den Slogan „Mehr ist anders“ ausrufen, denn das Ganze ist eben nicht die Summe seiner Teile. Die Dinge, die von Chemikern, Biologen und sogar Soziologen untersucht werden, können nicht durch die grundlegendsten physikalischen Erkenntnisse erklärt werden. Man kann sagen, dass wir gerade aufgrund dieses Emergenzphänomens viele Disziplinen ableiten müssen, um dieselbe reale Welt aus unterschiedlichen Maßstäben zu untersuchen.

Kurz gesagt, Emergenz ist ein magisches Phänomen, das dafür sorgt, dass unsere Welt nicht langweilig wird. Von der Entstehung des Lebens bis zu Ihrem Verständnis der zentralen Idee eines Artikels, von den flexiblen und geordneten Vogelschwärmen bis zum „Ich“ in diesem Video: Das Verständnis der Entstehung wird Ihnen eine zusätzliche Ebene der Weisheit bei der Betrachtung der Welt verleihen. Bitte beachten Sie, dass das „Ich“ in Ihren Augen in diesem Moment keine Person ist, sondern nur eine Kombination von Pixeln.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Yang Mingzhe

Gutachter: Zhang Jiang, Professor der School of Systems Science, Beijing Normal University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.