Uppkomst

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 30 augusti 2022; kontroller kräver 4 redigeringar .

Emergence eller emergence ( engelska från emergent "rising, unexpectedly appearing") [1] i systemteorin  - närvaron av ett system av egenskaper som inte är inneboende i dess komponenter separat; irreducerbarheten av egenskaperna hos ett system till summan av egenskaperna hos dess komponenter.

Liknande begrepp inom systemteori och andra kunskapsområden är synergi , holism , systemeffekt , superadditiv effekt , icke -kompositionalitet .

Materialvetenskap

Fenomenet med kompositmaterial - i vissa kompositsystem leder växelverkan mellan komponenter till det faktum att i det slutliga materialet den kvantitativa indikatorn för minst en egenskap (till exempel elektrisk ledningsförmåga, draghållfasthet, etc.) inte är en enkel summa motsvarande indikatorer för de ingående komponenterna. Till exempel förbättra hållfasthetsegenskaperna hos en kolfiberkomposit med härdande hartser jämfört med enskilda kolfiber.

Uppkomst i naturen

Emergenta strukturer kan hittas i många naturfenomen, från fysiska till biologiska. Till exempel är väderhändelser som orkaner framväxande strukturer. Utvecklingen och tillväxten av komplexa ordnade kristaller , på grund av den slumpmässiga rörelsen av vattenmolekyler i en gynnsam naturlig miljö, är ett annat exempel på en framväxande process, där slumpmässighet kan leda till uppkomsten av komplexa och mycket intressanta ordnade strukturer.

Vattenkristaller som bildas på glas uppvisar en framväxande, fraktal process som sker under lämpliga temperatur- och luftfuktighetsförhållanden . Emellertid går kristallina strukturer och orkaner igenom en period av självorganisering.

Det är viktigt att särskilja tre former av framväxande strukturer. Första ordningens framväxande struktur är resultatet av interaktionen mellan former (till exempel vätebindningar i vattenmolekyler resulterar i ytspänning ). Den framväxande strukturen av den andra ordningen inkluderar interaktionen av former som konsekvent reproduceras i tid (till exempel en förändring i atmosfäriska förhållanden när en snöflinga faller till marken och ändrar sin form). Slutligen är tredje ordningens emergent struktur en konsekvens av form, timing och ärvda instruktioner. Till exempel påverkar en organisms genetiska kod formen på kroppens system i rum och tid.

Biologi

Synergistiska effekter av olika slag har spelat en viktig roll i den evolutionära processen i allmänhet och i utvecklingen av samarbete och komplexitet i synnerhet. Det naturliga urvalet framställs ofta som en "mekanism" eller personifieras som ett kausalt medel . I verkligheten är det differentiella "selektionen" av en egenskap, eller anpassning, en konsekvens av de funktionella effekter den producerar i förhållande till en given organisms överlevnad och reproduktionsframgång i en given miljö. Det är dessa funktionella effekter som ytterst är ansvariga för kontinuiteten i generationer och förändringar i naturen.

I evolutionära processer är kausalitet iterativ; effekter är också orsaker . Och detta gäller likaväl de synergistiska effekterna som skapas av nya system. Med andra ord är uppkomsten i sig huvudorsaken till utvecklingen av framväxande fenomen i biologisk evolution; det är Synergin som produceras av organiserade system som är nyckeln till att förstå detta [2] .

Svärmning  är ett välkänt beteende hos många djurarter, från gräshoppor till skolfiskar och skolfåglar . Emergent strukturer är en gemensam strategi som delas av många grupper av djur: myrkolonier , termithögar , svärmar av bin , stim av fisk, flockar av fåglar och flockar / flockar av däggdjur .

I en myrkoloni ger inte drottningen direkta order eller talar om för myrorna vad de ska göra. Istället reagerar varje myra på luktstimuli från larver , andra myror, inkräktare, mat och ackumulerat avfall och lämnar efter sig ett kemiskt spår som i sin tur ger en stimulans till andra myror. Här är varje myra en autonom enhet som reagerar endast beroende på sin lokala miljö och de genetiskt kodade reglerna för sin sorts myra. Trots bristen på centraliserat beslutsfattande uppvisar myrkolonier komplext beteende och har till och med visat förmågan att lösa geometriska problem. Till exempel brukar kolonier hitta det maximala avståndet från alla ingångar till kolonin för att bli av med döda kroppar [3] .

Organisation av livet

Ett bredare exempel på framväxande egenskaper inom biologi ses i den biologiska organisationen av livet , från subatomär nivå till nivån för hela biosfären . Till exempel kan enskilda atomer kombineras för att bilda molekyler såsom polypeptidkedjor , som viker sig och viker sig för att bilda proteiner , som i sin tur skapar ännu mer komplexa strukturer. Dessa proteiner, som antar sin funktionella status från sin rumsliga konformation, interagerar med varandra och med andra molekyler för att uppnå högre biologiska funktioner och i slutändan skapa en organism . Ett annat exempel är hur de kaskadformade fenotypiska svaren som beskrivs i kaosteorin uppstår från individuella gener som muterar i lämplig position [4] . På högsta nivå bildar alla biologiska samhällen i världen en biosfär , där dess mänskliga medlemmar formar samhällen och de komplexa interaktionerna mellan sociala system som aktiemarknaden .

Livlösa fysiska system

Inom fysiken används emergens för att beskriva en egenskap, lag eller fenomen som inträffar på makroskopiska skalor (i rum eller tid) men inte på mikroskopiska , trots att ett makroskopiskt system kan ses som en mycket stor ensemble av mikroskopiska system [5] . En emergent egenskap behöver inte vara mer komplex än de underliggande icke-emergenta egenskaperna som ger upphov till den. Till exempel är termodynamikens lagar anmärkningsvärt enkla, även om lagarna som styr interaktionerna mellan ingående partiklar är komplexa. Termen "uppkomst" i fysiken används alltså inte för att beteckna komplexitet, utan snarare för att särskilja vilka lagar och begrepp som gäller för makroskopiska skalor, och vilka för mikroskopiska [6] .

Ett annat, kanske mer allmänt tillämpbart, sätt att förstå emergent separation innebär dock en viss grad av komplexitet, eftersom den numeriska möjligheten att gå från en mikroskopisk till en makroskopisk egenskap talar om emergensens "styrka". Detta förstås bättre med tanke på följande definition från fysiken:

"Emergent beteende hos ett fysiskt system är en kvalitativ egenskap som endast kan ske i gränsen när antalet mikroskopiska komponenter tenderar till oändlighet [7] ". Men eftersom det egentligen inte finns några oändliga system i den verkliga världen, finns det ingen självklar naturlig föreställning om en stel separation mellan egenskaperna hos systemets beståndsdelar och egenskaperna hos den framväxande helheten. Man tror att klassisk mekanik härstammar från kvantmekaniken , i princip beskriver kvantdynamik helt och hållet allt som händer på klassisk nivå. Men att beskriva rörelsen av ett fallande äpple i termer av arrangemanget av dess elektroner skulle kräva en dator större än universums storlek , med mer tid att beräkna än universums livstid. Således kan man betrakta detta som en "stark" emergent separation.

Exempel på uppkomst i fysiska system:

Temperatur används ibland som ett exempel på framväxande makroskopiskt beteende. I klassisk ögonblicksbildsdynamik är det momentana momentan för ett stort antal partiklar i jämvikt tillräckligt för att hitta den genomsnittliga kinetiska energin per frihetsgrad , proportionell mot temperaturen. För ett litet antal partiklar är momentana impulser vid en given tidpunkt inte statistiskt tillräckliga för att bestämma systemets temperatur. Men med hjälp av den ergodiska hypotesen kan temperaturen hittas med godtycklig noggrannhet genom att ytterligare medelvärde för pulserna under en tillräckligt lång tid.

Konvektion i en vätska eller gas  är ett annat exempel på framväxande makroskopiskt beteende som bara är vettigt när man överväger temperaturskillnader. Konvektionsceller, i synnerhet Bénard-celler , är ett exempel på ett självorganiserande system , eller dissipativt system , vars struktur bestäms både av systemets begränsningar och av slumpmässiga störningar: de möjliga realiseringarna av cellernas form och storlek beror på på temperaturgradienten , såväl som på vätskans natur och formen på behållaren, men vilka konfigurationer som faktiskt realiseras bestäms av slumpmässiga störningar. Således uppvisar dessa system symmetribrott .

Enligt Laughlin , för många partikelsystem kan ingenting beräknas exakt från mikroskopiska ekvationer, och makroskopiska system kännetecknas av bruten symmetri: symmetrin som finns i mikroskopiska ekvationer saknas i det makroskopiska systemet på grund av fasövergångar [9] . Som ett resultat beskrivs dessa makroskopiska system i sin egen terminologi och har egenskaper oberoende av många mikroskopiska detaljer. Detta betyder inte att mikroskopiska interaktioner inte spelar någon roll, bara att du inte ser dem längre - du ser bara den renormaliserade effekten av dem. Laughlin ställer en pragmatisk fråga: om du kanske aldrig kommer att kunna beräkna de makroskopiska egenskaperna hos bruten symmetri från mikroskopiska ekvationer, vad är då poängen med att prata om reducerbarhet?

Fysik för kondenserad materia

Den teoretiska förståelsen av den kondenserade materiens fysik är nära besläktad med begreppet emergens, där många partiklar beter sig helt annorlunda än sina enskilda komponenter [10] . Denna term används för att beskriva en lag eller ett fenomen som manifesterar sig på makroskopisk nivå, men inte på mikroskopisk nivå, trots att det makroskopiska systemet representeras som en uppsättning mikroskopiska system [11] [12]

Till exempel är ett antal fenomen associerade med högtemperatursupraledning dåligt förstådda, även om den mikroskopiska fysiken hos enskilda elektroner och gitter är välkänd [13] . På liknande sätt har modeller av system för kondenserad materia studerats där kollektiva excitationer beter sig som fotoner och elektroner , och därigenom beskriver elektromagnetism som ett nytt framväxande fenomen [14] . Emergent egenskaper kan också uppträda i gränssnittet mellan material: ett exempel är gränssnittet mellan lantanaluminat och strontiumtitanat , där två icke-magnetiska isolatorer är sammankopplade för att skapa konduktivitet, supraledning och ferromagnetism [15] .

Kvantfysik

I vissa partikelfysikteorier ses till och med grundläggande strukturer som massa , utrymme och tid som framväxande fenomen som härrör från mer grundläggande begrepp som Higgs-bosonen eller strängar . I vissa tolkningar av kvantmekaniken är uppfattningen av en deterministisk verklighet där alla objekt har en viss position , rörelsemängd etc. faktiskt ett framväxande fenomen, där materiens verkliga tillstånd beskrivs av en vågfunktion , som inte nödvändigtvis har en enda position eller momentum. Kemi kan i sin tur ses som en framväxande egenskap hos fysikens lagar. Biologi (inklusive evolutionsteorin ) kan ses som en framväxande egenskap hos kemins lagar. På samma sätt kan psykologi förstås som en framväxande egenskap hos neurobiologiska lagar. Slutligen förstår vissa ekonomiska teorier ekonomi som ett framväxande inslag i psykologi.

Enligt filosofen Jenanne Ismael , för att förstå fenomenen lokalitet och icke- lokalitet i kvantfysiken , bör man betrakta rymden som en framväxande struktur [16] :

…vi måste se på rymden som vi känner den – vardagliga rum där vi bedömer dimensioner i dess olika delar – som en framväxande struktur . Kanske när vi tittar på två delar ser vi samma händelse. Vi interagerar med samma verklighet från olika delar av rymden.

Framväxt i samhället

Spontan ordning

Grupper av människor som lämnas åt sig själva tenderar att skapa spontan ordning , snarare än det tanklösa kaos som ofta fruktas. Det har observerats i det mänskliga samhället åtminstone sedan Chuang Tzus tid i det antika Kina . Människor är de grundläggande elementen i sociala system som ständigt interagerar och skapar, upprätthåller eller avslutar sociala band [17] . Sociala band i sociala system förändras ständigt i sin struktur. Ett bra exempel är en rondell , där bilar går in och ut med så effektiv organisation att vissa moderna städer har börjat byta ut stoppljus vid problematiska korsningar med cirklar och få bättre resultat [18] . Programvara med öppen källkod och wikis är en ännu mer övertygande illustration av spontan ordning. Närhelst det finns många interagerande individer uppstår ett mönster , beslut, struktur eller riktningsändring från störningen .

I ekonomi

Aktiemarknaden är ett exempel på framväxt i stor skala. I allmänhet reglerar den noggrant de relativa priserna på värdepapper i företag runt om i världen, men den har ingen ledare; när det inte finns någon central planering finns det ingen organisation som kontrollerar driften av hela marknaden. Agenter, eller investerare , känner bara till ett begränsat antal företag i sin portfölj och måste följa marknadens regler och analysera transaktioner individuellt eller i stora grupper. Trender och mönster dyker upp och studeras intensivt av tekniska analytiker [19] .

På Internet

World Wide Web är ett populärt exempel på ett decentraliserat system som uppvisar nya egenskaper. Det finns ingen centraliserad organisation som normaliserar antalet länkar , men antalet länkar som pekar till varje sida följer en maktlag , där ett litet antal sidor har flest länkar och de flesta sidor har ett litet antal länkar. Men nästan alla sidor kan kopplas till varandra genom en relativt kort länkkedja. Även om denna egenskap är relativt välkänd nu, var den ursprungligen oväntad i ett oreglerat nätverk, som används i samband med många andra typer av nätverk som har en liten världsgrafstruktur [20] . Internettrafik kan också uppvisa vissa framväxande egenskaper. I en mekanism för överbelastningskontroll kan TCP - strömmar synkroniseras globalt vid flaskhalsar och samtidigt öka och minska deras genomströmning . Nätöverbelastning , allmänt betraktad som en olägenhet, är en framväxande egenskap hos spridningen av nätverksflaskhalsar i höga trafikflöden , vilket kan ses som en fasövergång [21] .

Ett annat viktigt exempel på webbsystems framväxt är social bookmarking . I system för sociala bokmärken tilldelar användare taggar till resurser som delas av andra användare, vilket ger upphov till den typ av informationsorganisation som är resultatet av denna crowdsourcingprocess . Nyligen genomförda studier som empiriskt analyserar den komplexa dynamiken i sådana system har visat att konsensus om stabila distributioner och en enkel form av delade ordförråd uppstår även i frånvaro av ett centralt kontrollerat ordförråd [22] . Vissa forskare tror att det kan bero på att användarna som bidrar med taggarna använder samma språk, och de delar samma semantiska strukturer som ligger till grund för valet av ord. Således kan konvergens i sociala taggar tolkas som uppkomsten av strukturer, när personer som har en liknande semantisk tolkning gemensamt indexerar information online  - en process som kallas semantisk imitation inträffar [23] [24] .

I stadsarkitektur

Framväxande strukturer dyker upp på många olika organisationsnivåer eller som en spontan ordning . Emergent självorganisering förekommer ofta i städer där varken design eller zonindelning förutbestämmer stadens layout [25] . Den komplexa studien av emergent beteende betraktas vanligtvis inte som ett homogent fält, utan delas in i tillämpade eller problemområden. Arkitekter kan inte designa alla gångvägar inom ett byggnadskomplex. Istället kan de tillåta mönster av fotgängares beteende att uppstå och sedan placera trottoaren där de har blivit gående.

Christopher Alexanders arkitekturskola tar ett djupare förhållningssätt till framväxten: den försöker förändra själva processen för urban tillväxt för att påverka deras form, och etablerar en ny planerings- och designmetodik som är förknippad med både traditionella metoder och framväxande urbanism [26 ] . Uppkomsten av städer har också förknippats med teorier om urban komplexitet [27] och urban evolution [28] .

Byggnadsekologi är det konceptuella ramverket för att förstå arkitektur och den byggda miljön som ett gränssnitt mellan dynamiskt beroende byggnadselement, deras boende och miljön som helhet. Istället för att se byggnader som livlösa eller statiska objekt, kan de ses som gränssnitt eller skärande områden av levande och icke-levande system [29] . Inomhusmiljöns mikrobiologiska ekologi är starkt beroende av byggmaterial , boende, underhåll, ekologisk kontext samt inomhus- och utomhusklimat. Det finns ett starkt samband mellan atmosfärisk kemi , inomhusluftens kvalitet och kemiska reaktioner inomhus . Kemikalier kan vara näringsrika, neutrala eller biocider för mikroorganismer . Mikrober producerar kemikalier som kan påverka byggmaterial och de boendes hälsa och välbefinnande [30] . Människor använder ventilation, reglerar temperatur och luftfuktighet för att uppnå komfort med åtföljande effekt på de mikroorganismer som fyller rummet och förökar sig [31] .

Emergent fenomen i datorer har också använts i arkitektoniska designprocesser, till exempel för forskning och experiment inom området digital materialitet [32] .

Språk

Strukturen och regelbundenhet i språkens grammatik och språkförändringar är ett framväxande fenomen. Medan varje talare helt enkelt försöker uppnå sina egna kommunikativa mål , använder han språket på ett visst sätt. Om ett stort antal talare agerar på samma sätt förändras språket. I en vidare mening kan språknormer, det vill säga språköverenskommelser mellan infödda, ses som ett system som uppstår som ett resultat av ett långsiktigt deltagande i att lösa kommunikationsproblem under olika sociala förhållanden [33] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Uppkomst // Komlev N. G. Ordbok över främmande ord . – 2006.
  2. ↑ Corning, Peter (2002), "The Re-Emergence of 'Emergence': A Venerable Concept in Search of a Theory", Complexity , 7 (6): 18-30,
  3. ↑ Steven Johnson. 2001. Emergence: Myrors, hjärnor, städer och programvaras sammankopplade liv . New York, NY ISBN 0-684-86875-X .
  4. ↑ Campbell, Neil och Jane B. Reece. biologi . 6:e uppl. San Francisco: Benjamin Cummings, 2002.
  5. ↑ Anderson, Philip W. (2018-03-09). Grundläggande begrepp om den kondenserade materiens fysik . C.R.C. Tryck.
  6. ↑ Girvin, Steven M.; Yang, Kun (2019-02-28). Modern kondenserad materiens fysik . Cambridge University Press.
  7. ↑ Kivelson, Sophia; Kivelson, Steve (2016). " Definition Emergence in Physics ". NPJ Quantum Materials . Naturforskning.1.
  8. ↑ Almond, D.P.; Budd, CJ; Freitag, M.A.; Hunt, GW; McCullen, NJ; Smith, N.D. (2013). "Ursprunget till makt-lags emergent skalning i stora binära nätverk". Physica A: Statistisk mekanik och dess tillämpningar . 392 (4): 1004-1027.
  9. ↑ Laughlin, Robert (2005), A Different Universe: Reinventing Physics from the Bottom Down , Basic Books, ISBN 978-0-465-03828-2 .
  10. ↑ Coleman Piers. Introduktion till många  kroppsfysik . - Cambridge University Press , 2016. - ISBN 978-0-521-86488-6 .
  11. ↑ Anderson Philip W. Grundläggande begrepp om den kondenserade materiens fysik  : [ eng. ] . — CRC Press, 2018-03-09. - ISBN 978-0-429-97374-1 .
  12. ↑ Girvin Steven M., Yang Kun. Modern Condensed Matter Physics  : [ eng. ] . — Cambridge University Press, 2019-02-28. — ISBN 978-1-108-57347-4 .
  13. ↑ Förstå Emergence (länk ej tillgänglig) . Nationella vetenskapsfonden. Hämtad 30 mars 2012. Arkiverad från originalet 26 oktober 2012. 
  14. ↑ Levin Michael. Colloquium: Photons and elektrons as emergent phenomena  (engelska)  // Reviews of Modern Physics  : journal. - 2005. - Vol. 77 , nr. 3 . - s. 871-879 . - doi : 10.1103/RevModPhys.77.871 . - . - arXiv : cond-mat/0407140 .
  15. ↑ Tebano Antonello, Fabbri E., Pergolesi D., Balestrino G., Traversa E. Room-Temperature Giant Persistent Photoconductivity in SrTiO3  / LaAlO3 Heterostructures  // ACS Nano : journal. - 2012. - 19 januari ( vol. 6 , nr 2 ). - P. 1278-1283 . - doi : 10.1021/nn203991q . — PMID 22260261 .
  16. ↑ Musser, 2018 , kapitel 6. "Rymdens slut", sid. 226.
  17. ↑ Luhmann, N. (1995). sociala system . Stanford: Stanford University Press.
  18. ↑ En rundgångsväg för att lösa Palo Altos Midtown-problem, av Patrick Siegman: Artiklar: Terrain.org . www.terrain.org . Hämtad: 25 december 2020.
  19. ↑ Arthur, W. Brian. (2015). Komplexitet och ekonomi . vetenskap . 284 . Oxford. pp. 107-9
  20. ↑ Albert, Reka; Jeong, Hawoong; Barabási, Albert-Lászlo (9 september 1999). Diameter på World Wide Web. naturen . 401 (6749): 130-131.
  21. ↑ Smith, Reginald D. (2008), "Internettrafikens dynamik: självlikhet, självorganisering och komplexa fenomen", Advances in Complex Systems , 14 (6): 905-907.
  22. ↑ Valentin Robu, Harry Halpin, Hana Shepherd. Framväxten av konsensus och delade vokabulärer i kollaborativa taggningssystem , ACM Transactions on the Web (TWEB), Vol. 3(4), artikel 14, ACM Press, september 2009.
  23. ↑ Fu, Wai-Tat; Kannampallil, Thomas George; Kang, Ruogu (augusti 2009), " A Semantic Imitation Model of Social Tagging ", Proceedings of the IEEE Conference on Social Computing : 66-72.
  24. ↑ Fu, Wai-Tat; Kannampallil, Thomas; Kang, Ruogu; He, Jibo (2010), "Semantic Imitation in Social Tagging", ACM Transactions on Computer-Human Interaction , 17 (3): 1-37.
  25. ↑ Krugman, Paul (1996), The Self-organizing Economy , Oxford: Blackwell, ISBN978-1-55786-698-1,
  26. ↑ Resan till uppkomsten | Emergent Urbanism . emergenturbanism.com . Hämtad: 27 december 2020.
  27. ↑ Batty, Michael (2005), Städer och komplexitet , MIT Press.
  28. ↑ Marshall, Stephen (2009), Cities Design and Evolution , Routledge
  29. ↑ Faktablad:   Byggekologi ? . microBEnet: mikrobiologin i Built Environment-nätverket (26 maj 2011). Hämtad: 27 december 2020.
  30. ↑ BuildingEcology.com - Hal Levin,   redaktör ? . Hämtad: 27 december 2020.
  31. ↑ microBEnet: mikrobiologin i   nätverket för byggd miljö ? . microBEnet: mikrobiologin i Built Environment-nätverket . Hämtad: 27 december 2020.
  32. ↑ Roudavski, Stanislav och Gwyllim Jahn (2012). ' Emergent Materiality though an Embedded Multi-Agent System ', i 15th Generative Art Conference, ed. av Celestino Soddu (Lucca, Italien: Domus Argenia), s. 348-363.
  33. ↑ Keller, Rudi (1994), Om språkförändring: Den osynliga handen i språket , London/New York: Routledge.

Litteratur

  • George Masser. Icke-lokalitet. Ett fenomen som förändrar idén om rum och tid, och dess betydelse för svarta hål, Big Bang och teorier om allting = Musser George. Spöklik action på avstånd. - Facklitteratur Alpina , 2018. - ISBN 978-5-91671-810-2 .
  • Elfimov G. M. Begreppet "ny" i teorin om emergent evolution. // Ledningsrådgivare. SPb., 2009. - Nr 1. - P. 187-222.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk