A világ, amelyben élünk, amely létrehozott minket is, különleges rendszer. Különleges azért, mert rendkívül sokféle típusú és tulajdonságú ...
A világ, amelyben élünk, amely létrehozott minket is, különleges rendszer. Különleges azért, mert rendkívül sokféle típusú és tulajdonságú alkotórésze van. A világunknak ez a jellemzője természetesnek tűnik, de egyáltalán nem triviális következménye az univerzum anyagi rendszerének.
Az univerzum csupán néhány különböző féle alapvető építő elemből áll, de az is lehetséges, hogy még kevesebb a legalapvetőbb elemi részecskék típusa annál, mint amit ma ismerünk. A megismerési folyamatunk eddigi eredményeit egyelőre még csak filozófiai módon extrapolálva akár arra a következtetésre is juthatunk egyszer, hogy az univerzumot csupán egyféle felépítő elemi részecske alkotja.
De ha csak megmaradunk a jelenlegi ismereteink határain belül, akkor is rácsodálkozhatunk a világunk egyszerűségének sokféleségére. A világunk nem csupán az elemi részecskék egymástól függetlenül létező halmaza, és még csak nem is a legegyszerűbb összetett anyag, a hidrogén atomok felhője, hanem sokféle, különböző tulajdonságokkal rendelkező anyagi rendszernek a kavalkádja.
Honnan származnak, hogyan jönnek létre a végtelennek tűnő különböző anyagi tulajdonságok a csupán néhány alap alkotó elemből álló univerzumban?
A tulajdonságok triviális eredete
Új tulajdonságok az összetett anyagi rendszerekben létrejöhetnek úgy, hogy az alkotó elemek egymással kölcsönhatásba lépve összekapcsolódnak, kötött rendszert alkotnak, ez által elveszítik az eredeti tulajdonságaikat, és teljesen új tulajdonságokkal rendelkező anyagi struktúrát alkotnak.
Ebben az esetben általában könnyen magyarázható és érthető, nyilvánvaló okokra visszavezethető az újonnan létrejött anyagi rendszer új tulajdonságainak eredete. Az ilyen módon létrejövő rendszereket létrehozó kölcsönhatásoknak általában már jól ismerjük a jellemzőit, működésüket, természetes következménynek tekintjük az új tulajdonságok megjelenését.
Triviális módon jelennek meg például a víz molekula új, a felépítő alkotó elemeire nem jellemző tulajdonságai, mint például a polaritás, vagy a V forma. A vízmolekula kialakulásával a hidrogén és oxigén molekulák elveszítik eredeti tulajdonságaikat, és a kapcsolatot létrehozó kölcsönhatás által stabilan kötött új struktúra, víz molekula jön létre, amely triviális, nyilvánvaló, jól érthető és magyarázható módon új tulajdonságokkal rendelkezik.
Az anyagi rendszerek tulajdonságainak legnagyobb részét a triviális módon létrejövő anyagi tulajdonságok alkotják. Az anyagi rendszereknek azonban sokszor triviális módon nem megmagyarázható új tulajdonságai is lehetnek.
A tulajdonságok emergent eredete
Új tulajdonságok összetett anyagi rendszerekben létrejöhetnek úgy is, hogy az alkotó elemek kölcsönhatásba lépve egymással nem veszítik el az eredeti tulajdonságaikat miközben új tulajdonságokkal rendelkező anyagi rendszert hoznak létre. Ebben az esetben sokkal nehezebben magyarázható és érthető, nem triviális okai vannak a létrejött anyagi rendszer új tulajdonságai eredetének. Az így létrejövő tulajdonságokat emergens tulajdonságnak nevezzük.
Az emergens tulajdonságok a sok elemből álló összetett rendszerek jellemzői, ahol a felépítő alkotórészek nem alkotnak szorosan kötött struktúrát.
Emergens módon jönnek létre például a víz molekulákból felépülő anyagi rendszernek, a folyadék állapotú víznek az alkotóelemre, a víz molekulára nem jellemző tulajdonságai, mint például a viszkozitás vagy a felületi feszültség. A lazán kapcsolódó víz molekulák sokaságából kialakuló folyékony vízben, mint összetett rendszerben a víz molekulák megőrzik az eredeti tulajdonságaikat, és emergens, nem triviális eredetű új tulajdonságokkal rendelkező rendszert hoznak létre.
A világunkban mindenhol, ahol lazán összetett, sok elemből álló rendszerek léteznek, szinte mindig, tehát természetes módon kialakulnak emergens tulajdonságok.
Az emergens tulajdonságok egyedi tulajdonságai az anyagnak, szorosan hozzátartoznak a világunk sokféleségéhez, és a világunk komplexitásának alapvető összetevői. Emergent tulajdonságnak tartjuk például az anyag legmagasabb szintű megnyilvánulását, az öntudat megjelenését is.
Honnan származnak, és hogyan jönnek létre az emergens tulajdonságok?
Az emergens tulajdonságok tipikusan sok elemű, lazán kapcsolódó, összetett rendszerekben jelennek meg, ahol a rendszert felépítő elemek megőrzik eredeti tulajdonságaikat, individualitásukat, önállóságukat, de közösségben, együtt, egymásra hatva funkcionálnak.
Definíció szerint emergens tulajdonság van jelen, amikor megfigyelhető, hogy egy entitásnak olyan tulajdonságai vannak, amelyekkel a részei önmagukban nem rendelkeznek, olyan tulajdonságok vagy viselkedésmódok, amelyek csak akkor jelennek meg, amikor a részek egy nagyobb egészben kölcsönhatásba lépnek egymással.
A tudomány jelenleg ezt a deduktív, leíró jellegű definíciót alkalmazza az emergent tulajdonság meghatározására.
A szakirodalom az emergens tulajdonságot általában összekapcsolja a felépítő elemek önszerveződésével is. Habár az önszerveződés gyakran előforduló, ok-okozati kapcsolatban álló tényezője egy rendszerben megjelenő emergent tulajdonságnak, azonban az önszerveződés nem feltétlenül szükséges az emergens tulajdonság megjelenéséhez.
Önszerveződés nélkül jelenik meg például a szivárvány, vagy a gáznyomás, mint emergens tulajdonság. Ebből az is következik, hogy emergens tulajdonság nem csupán a tudományosan értelmezett komplex, azaz adaptivitással is rendelkező rendszerek jellemzője, elegendő kritérium, ha a rendszer megfelelően sok, egymással valamilyen kapcsolatba álló elemből áll. A kapcsolat teljesen passzív is lehet, elegendő lehet az azonos térrészben történő elhelyezkedés is.
Az emergens tulajdonságok aktuális definíciói felülről vizsgálva, leíró, deduktív módon próbálják meghatározni az emergens tulajdonságot. Az emergens tulajdonságok megjelenését azonban akkor tudjuk valójában megérteni, ha a rendszert alulról szemlélve, induktív módon, a felépítő elemek önálló, dinamikus viselkedéséből kiindulva tudjunk értelmezni a jelenséget.
Az emergens tulajdonságok kialakulásának induktív alapú megértéséhez elégségesnek kell lenni figyelembe venni az önazonosságukat megtartó felépítő elemekből álló rendszernek az emergens tulajdonság megjelenéséhez szükséges két, minden esetben fennálló jellemzőjét, azt, hogy a rendszer szükségszerűen sok elemből áll, és a felépítő elemek valamilyen formában összetartoznak. Ebből a két alapfeltevésből kiindulva kell induktív módon értelmezni az emergens tulajdonságok megjelenését.
A jelenség megértéséhez először vizsgáljuk meg a gáznyomás, mint emergens tulajdonság eredetét.
A gáz, mint anyagi rendszer, számtalanul sok, önállóan és szabadon mozgó, egymásnak ütköző részecskék kaotikus, önszerveződés nélküli együttese. Egy ilyen rendszerben mindig megjelenik egy felületre (például a gázt tartalmazó edény falára) ható, jól definiálható nyomóerő, amit nyomásnak nevezünk. A nyomás, mint jelenség egyetlen gázrészecske esetén nem értelmezhető, az csak elegendően sok, összetartozó részecske esetén jelenik meg, azaz az anyagi rendszer emergens tulajdonsága.
Milyen fizikai folyamatnak az eredménye a nyomás, mint jelenség megjelenése? Elegendően sok gázrészecske esetén a kaotikusan mozgó részecskék statisztikusan jól meghatározható mennyisége, statisztikusan jól meghatározható átlagsebességgel mozog, tehát a részecskék jól meghatározható mozgási energiája minden időpontban egy jól meghatározható, de nem kitüntetett irányba esik. Ez a részecskék kaotikus mozgásából származó statisztikus véletlenszerűség által létrejövő mozgási energia egy felületnek ütközve jól meghatározható erőt fejt ki. Ez az a jelenség, amit alkalmasan definiálva nyomásként értelmezünk.
A nyomás klasszikus emergens tulajdonság. A tulajdonság kialakulásának alapja az, hogy a sok elemből felépülő rendszer alkotó elemei egymásra hatva (ütközve), de önállóan funkcionálva, a felépítő elemek bizonyos tulajdonsága (adott esetben a mozgása) a statisztikai véletlenszerűség szerint egy irányba (adott esetben geometriai irányba) esik. Egy adott pillanatban a statisztikusan hasonló irányba mozgó gáz részecskék felületnek ütköző mozgási energiája összeadódik, és egy jól meghatározható, adott körülmények esetén állandó nagyságú erőhatást fejt ki. Az emergens tulajdonság, a nyomás megjelenik.
A nyomás példájának elemzésével ekvivalens módon értelmezhető a hőmérséklet, a viszkozitás, a sűrűség, mint emergens tulajdonság megjelenése is. Ezekre az esetekre tipikusan jellemző, hogy a rendszert alkotó részek statisztikus véletlenszerűségen alapuló valamilyen tulajdonsága hasonló értéket vesz fel, és ilyen értelemben azonos irányba esik. A hőmérséklet esetén a részecskék átlagos mozgási energiája, a viszkozitás esetén a részecskék közötti átlagos kötőerő, a sűrűség esetén az egy térfogata eső átlagos részecskék száma azonos értéket vesz felé, tehát azonos jellegű irányba esik.
Fontos megjegyezni, hogy az irány az itt alkalmazott értelemben nem geometriai irány (bár az is lehet), hanem arra utal, hogy az önállóan funkcionáló felépítő elemek valamilyen tulajdonsága jellegében hasonló értéket vesz fel.
Hasonlóan induktív módon értelmezhető a valamivel összetettebb emergens jelenség, a szivárvány megjelenése is. Az esőcseppek véletlen, de statisztikusan egyenletes elhelyezkedése az egy irányból érkező kevert fényt jól meghatározott módon hullámhosszak szerint különböző irányba verik vissza. A szivárvány emergens jelensége az esőcseppek statisztikusan véletlenszerű egyenletes eloszlására, az adott összetett rendszerben az eloszlásban kifejeződő egy irányba eső tulajdonságra vezethető vissza.
Az eddig elemzett emegens tulajdonságokat minden esetben az összetett rendszert felépítő elemek egy véletlen statisztikai eloszlásból származó valamilyen tulajdonságának azonos irányba esése hozta létre.
Valamivel összetettebb módon, de azonos elv szerint értelmezhetjük a folyadékok felületi feszültségét, azaz a nedvesség emergens tulajdonságnak megjelenését is.
A folyadékok belsejében a folyadékot alkotó részecskék minden irányból körül vannak véve másik folyadékot felépítő részecskével. Ez az egyenletes elrendeződé egyenletes eloszlását biztosítja a részecskék között ható összetartó erőnek. A folyadék határán azonban más a helyzet. Azon a felületen, ahol a folyadék egy másik anyagi rendszerrel érintkezik, a folyadék részecskék között ható összetartó erő már nem egyenletesen, minden irányban azonos módon érvényesül. A felületen a folyadék belsejétől eltérő erőhatás jelentkezik, amit felületi feszültségként értelmezünk.
A felületi feszültség annyiban komplexebb emergent jelenség, hogy nem csupán a statisztikus véletlen hozza létre, hanem a részecskék meghatározott elrendeződésén alapszik. A megfelelően sok, de nem végtelen számú folyadékot felépítő részecske a véges anyagmennyiség határán felületet, felszínt hoz létre. Az iránytól független erőhatás, amely a folyadék belsejében a folyadék részecskék között hat a folyadék felszínén már nem egyenletesen oszlik el, az erőhatásban egy irányon alapuló eltérés jön létre a folyadék belseje és külseje között. A speciális elrendeződés helyén, és a speciális elrendeződés által kialakul az emergent tulajdonságként értelmezett felületi feszültség.
A felületi feszültséget, mint emergent tulajdonságot is értelmezni tudjuk oly módon, hogy találtunk a sok elemből felépülő rendszerben az önállóan funkcionáló elemek jellemzőjében egy közös jellemzőt, jelen esetben egy aszimmetriához kötődő, kumulálodni képes erőhatást, amely által létrejön az emergens tulajdonság.
A lazán összetett rendszerekben, amelyekben az emergens tulajdonságok jellemzően megjelenhetnek, a felépítő elemek között az elemek viselkedését befolyásoló kölcsönhatások, visszacsatolások, önszervező folyamatok is kialakulhatnak. Ebben az esetben gyakran ez a felépítő elemeket kölcsönösen befolyásoló interakció, a visszacsatolás alakítja ki az emergens tulajdonságot.
Ilyen jellegű emergens viselkedés a nagy léptékű légköri jelenségek, mint például a ciklonok megjelenése is.
A légkört felépítő gázok részecskéi alapvetően statisztikus véletlenen alapuló, kitüntetett irány nélküli kaotikus mozgást végeznek. A hőmérséklet különbségen alapuló sűrűség különbségek vertikális irányú légmozgást, a létrejövő nyomás különbségek pedig különböző irányú horizontális jellegű légmozgások kialakulását okozzák. A nagy kiterjedésű ciklonok kialakulását azonban egy jelentősebb, globális erőhatás, a Föld forgása által megjelenő Coriolis erő hozza létre. A Coriolis erő a Föld felszínén gyenge erőhatás, lényegesen gyengébb, mint a légköri részecskék mozgási energiája. A Coriolis erő azonban globálisan ható, határozott irányba eső erő. Amikor a véletlenen alapuló hőmérsékleti mozgás több részecskét irányít a Coriolis erővel azonos irányba, vagy még inkább a hőmérséklet vagy nyomás különbségen alapuló sűrűség különbség hoz létre a Coriolis erő irányába eső légmozgást, a mozgáshoz hozzáadódik a helyi szinten gyenge, de nagyobb méretben jelentős Coriolis hatás.
Az így létrejött együtt mozgó gáz részecskék a globális ciklonok méretéhez képest jelentéktelen méretű, de egy megfelelően specifikus irányú mozgást végeznek. Ez a kezdetben kicsiny együtt mozgó anyagi rendszer a Coriolis hatás és a sűrűség különbségek által létrehozott pozitív visszacsatolás során folytonosan erősödhet, ami végeredményként egy idő után kialakítja a hurrikán jellegzetes formájú, nagy kiterjedésű és erejű jelenségét.
A hurrikán esetén azt láthatjuk, hogy egy külső erőhatás közreműködése által jön létre a sok elemből felépülő rendszerben az önállóan funkcionáló elemek egy jól meghatározott jellemzőjének egy irányba esése, azonos irányba történő mozgása, kumulálódása, és egyre nagyobb léptékű körmozgásba rendeződése. A jelenség jól ismert, számítógépes modellezessel jól szimulálható emergens viselkedése a légkörnek.
Szintén visszacsatoláson alapuló emegens jelenség az autópályán az egy irányban közlekedő autók mozgásából származó közlekedési dugók kialakulása.
Az előidéző oka, hogy az egyenletesen mozgó forgalomban egy autó sebességének akár csak kis mértékű lassulása az adott autót nem elegendő távolságban követő autó vezetőjét a figyelmetlenségből és reakció időből származó módon késleltetve, tehát az ütközést elkerülendő az előtte haladónál jelentősebb lassulásra készteti. A folyamat a többi követő autókra is érvényes, aminek eredményeként egy eredetileg kis mértékű lassulás komoly fennakadást, dugót okozhat a közlekedésben.
A közlekedési dugók kialakulása az azonos irányú közlekedésben önállóan cselekvő, de egymásra ható résztvevők bizonyos viselkedésének, a reakció időből származó cselekvésnek egy irányba esése, a mozgás változtatásának késedelme, és a lassulás akkumulálódása hozza létre. A jelenség jól ismert, számítógépes modellezessel jól szimulálható, emergens viselkedése az együtt mozgó autóknak.
Hasonlóan emegens módon kialakuló viselkedés a csoportosan haladó állatok jellegzetes mozgásformája is.
A csoportba szerveződés tipikus túlélési előnyt biztosító evolúciós viselkedési forma. Az állatok ösztönösen egymás közelségét keresik, és a fajra jellemző átlagos távolságot tartanak egymás között. A csoport mozgása során is egy jellemző távolságot igyekeznek fenntartani a tagok, miközben véletlenszerű, vagy külső hatásra irány és sebesség változások előfordulhatnak egyes egyedeknél. Az ilyen mozgási változások, ha elegendően nagyok, a szomszédos egyedek megpróbálva a távolságot tartania szintén változtatnak a mozgásukon. Az egyedekre és a fajra jellemző reakció idővel a mozgást változtató egyedek száma folyamatosan növekszik, míg a csoport haladása ismét hasonló irányba és sebességre szinkronizálódik. A folyamat eredménye az adott állatfajra jellemző jellegzetes csoportos mozgásforma.
A jellegzetes irányt változtató mozgás emergens módon alakul ki. A sok tagból álló csoportban az önállóan viselkedő, de egymást befolyásoló állatok viselkedési jellemzője, a távolságtartás a reakció idővel a mozgás során egy irányában akkumulálódik, és rendezi a csoportot.
Minden bizonnyal az öntudat megjelenése is az idegsejtek működésének emergent tulajdonsága, mivel egyetlen idegsejt bizonyosan nem rendelkezik öntudattal. Habár nem ismerjük az öntudat létrejöttének mechanizmusát, ha valóban emergens tulajdonsága az idegrendszernek, a megjelenését az emergens tulajdonságok javasolt induktív eredetét figyelembe véve, az öntudatot is az önállóan működő, de egymásra ható neuronok működése valamilyen jellemzőjének egy irányba esése és akkumulálódása hozhatja létre.
Az öntudat kialakulásának a neuronok működésén alapuló rezonanciára épülő hipotézise jól megfeleltethető az emergens tulajdonságok kialakulásának induktív módon meghatározott működési mechanizmusával.
Általánosítva tehát, induktív módon úgy definiálhatjuk az emergens tulajdonságok megjelenését, hogy ha egy sok elemű rendszerben az önállóan funkcionáló, de egymásra ható elemek valamilyen paramétere (jellemzője) egy irányba esik, vagy matematikailag leírható összefüggés szerint (pattern) változik, akkor ez a jellemző a rendszer egészében akkumulálódik, és az anyagi rendszerben új, csak a teljes rendszerre jellemző emergent tulajdonság jelenik meg.
A rendszert felépítő egyes elemek viselkedését vizsgálva általában nehéz kikövetkeztetni, hogy mely tulajdonságok esnek egy irányba és akkumulálódhatnak a rendszer egészének a szintjén. Az emergens tulajdonságokat ezért nehéz előre jelezni.
Az emergens tulajdonságok osztályozása
Az emergens tulajdonságokat tapasztalati szinten, deduktív módon általában két csoportba soroljuk, gyenge és erős jellegű emergens tulajdonság szerint különböztetjük meg.
Gyenge emergens tulajdonságnak tartjuk azokat az emergens tulajdonságokat, amelyek a rendszert felépítő elemek viselkedéséből jól megérthető módon jönnek létre. A gyenge emergens tulajdonságokat sem tudjuk általában előre megjósolni a korábban említett ok miatt, de miután megjelent a tulajdonság, a kialakulásának eredetét a rendszert vizsgálva jól meg tudjuk érteni.
Erős emergens tulajdonságnak tartjuk azokat az emergens tulajdonságokat, amelynek a megjelenését a rendszert felépítő elemek viselkedésének ismeretében sem tudjuk jól megmagyarázni, megérteni.
A csoportosítás zavaróan szubjektív, mivel érezhetően az aktuális tudás szintjén alapszik.
Ennél valamivel objektívebb módon, de látszólag továbbra is az aktuális tudáshoz kötődően, a gyakorlati szimulálhatóság alapján is megkülönböztethetőek az emergens tulajdonságok. Ezen meghatározás szerint: gyenge emergencia az emergencia egy olyan típusa, amelyben az emergens tulajdonság számítógépes szimulációval vagy hasonló utólagos elemzési formákkal vizsgálható. Ha nem, akkor erős emergenciáról beszélünk, amelyről azt állítjuk, hogy nem szimulálható vagy elemezhető.
Habár ez a definíció is mintha csak pontosítása, de lényegileg nem különböző meghatározása lenne az emergens tulajdonságok csoportosítása első definíciójának, az emergens tulajdonságok objektív, a lényegükből származó módon történő csoportosításához a szimulálhatóság általánosítása látszik alkalmasnak.
Ezen általánosítás szerint az emergens tulajdonság akkor gyenge, ha szimulálható, azaz az emergens tulajdonság létrehozható az eredeti rendszertől eltérő anyagi rendszerben is. Erős emergens tulajdonság csak emulalhato, azaz az emergens tulajdonság csak az eredeti anyagi rendszerben jelenik meg, azaz más anyagi rendszerben, szimulálva nem hozható létre.
A javasolt definíció lényege az objektív különbségtétel, miszerint nem az aktuális ismeret hiánya különbözteti meg a két kategóriát, hanem a szimulálhatóság objektív létezése vagy lehetetlensége.
Az azonban ezen definíció szerint is tudományos vita tárgya lehet, hogy létezik-e olyan anyagi tulajdonság, ami csak egy adott anyagi rendszerben képes megjelenni, bármilyen más anyagi rendszer alkalmatlan a tulajdonságnak a természetes módon történő előidézésére. Létezhet-e az objektív meghatározás szerint erős emergens tulajdonság?
Tudományos jellegű sejtés szerint, ha egy anyagi rendszerben evolúciós jellegű folyamatok következménye az emergens tulajdonság megjelenése, nem lehetetlen, hogy ebben az esetben nem szimulálható az emergens tulajdonság. Komplex, azaz adaptív jellegű viselkedésre képes rendszerek emergent tulajdonságai, mint amilyen például a tőzsde viselkedése is, úgy tűnik, szintén nem szimulálható az emergens tulajdonság megbízhatóan.
A javasolt, az emegens tulajdonságok objektív, nem az aktuális tudásunkon alapuló, hanem az emergens tulajdonság lényegéhez kötődő csoportosítására alkalmas lehet tehát a következő definíció: azon emergens tulajdonság, ami szimulálható, az gyenge emergencia. Az erős emergens tulajdonság csak emulálható tulajdonsága lehet az anyagi rendszernek.
A definícióból azonban következik egy lényegi filozófiai kérdés is. Létezik-e az univerzumban az objektív meghatározás szerinti erős emergens tulajdonság? Evolúciós és komplex rendszerek emergens tulajdonságait kifejezetten nehéz szimulálni, azonban a kérdés a valóságot tekintve abszolút jellegű. A valamikori tudásunktól függetlenül is létezik-e erős emergens tulajdonság?
Bármi is a valóságnak megfelelő válasz a kérdésre, alapvető következményekre vezet a világunkra nézve. Ha a valóságban nem létezik erős emergens tulajdonság, akkor a teljes univerzum, ha nem is másolható, de szimulálható, tehát más anyagi rendszerben is létrehozható.
Ha pedig valójában is létezik erős emergens tulajdonság, mi az, miért létezhet az univerzumban, és mire vezethető vissza a létezése?
Anyag {button_primary} Természet {button_primary} Univerzum {button_primary}
Nincsenek megjegyzések