湧現

湧現或稱創發、突現、呈展、演生，是一種現象，為許多小實體互動作用後產生了大實體，而這個大實體展現了組成它的小實體所不具有的特性。湧現在和複雜系統理論中起著核心作用。例如，生物學中的生命現象是化學的一個湧現。在哲學中，強調湧現特性的理論被稱為湧現論。哲學.哲學家常將湧現理解為關於系統性質的原因論主張。在這種情況下，一個系統的湧現性質指只屬於整個系統的特徵，而不屬於系統任一組成部分的性質。尼古拉·哈特曼。定義.許多人都曾定義過“湧現”這個概念，包括亞裡士多德、約翰·斯圖爾特·密爾、朱利安·赫胥黎與。則對湧現作以下定義：複雜系統中在自我組織的過程中，所產生的各種新奇且清晰的結構、圖案、和特性。湧現中有兩種學派的看法：弱湧現中，元素層面的互動會造成新的特質出現，而突現特質可以化約到其個別的成分，通常是決定論者的觀點；強湧現裡，新特質是無法化約的，是超過各部分的總和的。哲學家George Henry Lewes在1875年創造了“湧現”一詞，將其與單純的“結果”區分開來：每個結果都是分力的和或差；方向相同為和，相反為差。此外，每個結果都可以清楚地追溯到其組成，因為它們都同質、可通約。至於湧現則不然，湧現不是可測運動的加和，也不是同類事物間的加和，而是不同質事物間互動的結果。湧現與其組成不同，不僅因為不可約，而且湧現出的事物無法還原為組成的和或差。1999年，經濟學家Jeffrey Goldstein在期刊《湧現》上提出了湧現現象的現行定義：“在複雜系統的自組織過程中，出現的新的連貫結構、模式或性質”。2002年，系統科學家Peter Corning更詳細地描述了Goldstein的定義：共同特點有(1) 根本的新穎性。Corning提出的是較窄的定義，要求各組成在種類上不相似，並表現出分工。他還說生命系統理論雖然也是湧現，但歸結不出湧現的基本規律：規律與法則沒有因果效力，它們事實上沒有“產生”任何東西。它們只是用於描述自然界的規律性和一致性關係。這些模式可能十分重要、非常有啟發性，但背後的因果關係必須被單獨指定。拋開這一點不談，象棋說明了 ... 為什麼任何關於湧現和演化的規律與法則都不充分。即使是在象棋中，也不能用規則來還原歷史——即任何給定棋局的歷程。事實上，你甚至無法可靠預測下一步要怎麼走。為什麼？因為“系統”設計的不僅僅是遊戲規則，還包括棋手和他們在每個選擇點大量可能選項中不斷進行的逐時刻決定。象棋因此不可避免地具備了歷史性，雖然也受一套規則的制約與塑造，遑論物理定律。此外，象棋還是由目的學、控制論、反饋驅動影響形成的遊戲，不是一個簡單的自組織過程，而涉及到一個有組織、“有目的”的活動。強湧現與弱湧現.“湧現”這一概念的使用，一般可分為兩個角度，即“強湧現”和“弱湧現”。哲學家Mark Bedau的一篇論文《弱湧現》討論了這種劃分。就物理系統而言，弱湧現是一種湧現型別，湧現的屬性可透過計算機模擬或類似形式的事後分析實現還原。模擬中至關重要的是，相互作用的成員要保持相互獨立，否則就變成了強湧現：會形成新的實體，伴有新湧現出的特徵。有人認為強湧現無法被模擬、分析或還原。兩者的共同點有，湧現指的是隨著系統規模增加而產生的新屬性：即不屬於系統組成部分的屬性。此外，它還假定這些屬性具有隨附性，而不是形而上的原始屬性。弱湧現描述了系統中由於基本層面的相互作用產生的新屬性。但Bedau規定， 這些屬性不能由任何還原主義分析得到，只能透過觀察或模擬系統來確定。因此，新屬性與規模有關：只有當系統大到足以表現出這種現象時，才能被觀察到。混沌、不可預測行為也可看做一種湧現，而混沌的每個微觀行為都可被完全確定。Bedau指出，弱湧現不是一種普遍的形而上學解決方案，因為意識是弱湧現的假設無法解決關於意識物理性的傳統哲學問題。但Bedau的結論是，這種觀點提供了一個精確的概念：湧現參與了意識；其次，弱湧現的概念在形而上學中是良性的。強湧現描述的則是高階系統對組成的直接因果作用：以這種方式產生的性質以及系統原先的組成無法還原出來。因此，強湧現不可能系統模擬，因為模擬本身就構成了系統對組成的還原。物理學缺乏公認的強湧現例子，除非宣告在實踐中不可能用部分來解釋整體。實際上，實踐上的不可能要優於現有定義，因為前者更容易確定和量化，而且不會涉及任何神秘力，僅僅反映了我們能力的極限。反對劃分.但生物學家Peter Corning堅稱“關於是否能從部分預測整體的討論忽略了這一點。整體確實可以產生獨特的性質，但其中許多可能來自系統整體與環境的相互作用。”根據他的協同作用假說，Corning還稱：“正是整體產生的協同效應才是自然界複雜性演變的根本原因。”小說家阿瑟·庫斯勒用雅努斯的比喻應是非排他的，應該共同解決出現的問題。理論物理學家PW Anderson這樣認為：將一切都歸結為簡單基本規律的能力並不意味著有能力從這些規律出發，重建宇宙。在面對規模和複雜度的雙重困難時，還原主義假說便崩潰了。在每個複雜度層次上，都會出現全新的性質。心理學不是應用生物學，生物學也不是應用化學。我們現在可以看到，整體不僅變得更多，而且與部分的總和也非常不同。強湧現的可行性.一些思想家質疑強湧現的合理性，認為它違反了我們對物理學的通常理解。Mark A. Bedau指出：強湧現可能會導致因果。典型例子如分別監督隨附於物理狀態，其中心理狀態顯然是從物理狀態湧現的屬性。令M∗監督P∗，那麼當M導致了M∗時會發生什麼？金在權認為：在我們上面的例子中，我們得出結論：M透過引起P∗導致了M∗，所以M導致了P∗。現在，M作為湧現，一定有個物理基礎，如P。現在我們面臨一個關鍵問題：如果M從P湧現而來，為什麼P不能取代M，作為M產生的給定效應的原因？為什麼不能說是P的變化導致了M的所有所謂效應？如果因果關係被理解為法理上的充分性，那麼P作為M出現的基礎，對它來說有著法理上的充分性；而M作為P*的原因，對P*來說也是法理上的充分性。由此可見，P對P*來說也是法理上充分的，因此有資格成為它的因…若M以某種方式被保留為因，我們就面臨一個非常不確定的局面：每個下向因果都涉及過度決定。此外，這在任何情況下都違反了湧現論的精神：湧現應有獨特的因果貢獻。若M導致了M∗，那麼M∗就被過度決定了，因為P也是M∗的因。一個強湧現論者可以採取否認下向因果的手段，但這將消除提出其的理由，即湧現的心理狀態必須監督物理狀態，反過來又會使物理主義受到質疑，因此對一些哲學家和物理學家來說是不可取的。同時，其他人也在努力開發強湧現的分析性證據。2009年，Gu等人提出了一類宏觀上不可計算的無限物理系統。更確切地說，如果能從微觀描述中算出系統的宏觀性質，那麼計算機科學中一些不可解問題便能得到解決。這些結果涉及無限的系統，一般認為有限的系統都可計算出來。然而，只適用於無限系統極限的宏觀概念，如相變和重整化群對於理解、模擬真實的有限物理系統是十分重要的。Gu等人的結論是：湧現與互動.湧現結構是透過許多實體的集體行動而出現的模式。亞里士多德認為，湧現結構多於各部分的加和， 因為如果各部分相互獨立行動，就不會出現湧現的秩序。但也有人不同意。根據這一論點，每個部分與環境的相互作用會引起一連串複雜的過程，從而表現為某種形式的秩序。事實上，自然界中的一些系統表現出基於組成部分相互作用的湧現，而其他一些系統表現出的湧現，至少在目前無法這樣還原。特別是理論物理中的重整化方法，使科學家能夠研究不能視作各部分簡單組合的系統。客觀或主觀質性.Crutchfield認為，任何系統的複雜性和組織的性質都是由觀察者決定的主觀。定義結構、檢測自然界中複雜度的湧現本質上是主觀的，也是不可或缺的科學活動。建立模型的觀察者如何從觀測中推斷出嵌入非線性過程的計算能力，對這一過程的分析雖然比較困難，但對解決問題有所幫助。觀察者對其環境中什麼有序、什麼隨機、什麼複雜的概念，直接取決於計算資源：原始測量資料的數量、大小及可用於估計和推理的時間。不過，資源的組織方式更關鍵也更微妙地決定了環境中結構的發現。例如，觀察者所選擇的計算模型類描述能力，在發現數據的規律性方面可能是一個壓倒性決定因素。另一方面，Peter Corning則認為：“如一些理論家聲稱的那樣，協同作用必須被感知/觀察到才有資格湧現？顯然不是。與湧現有關的協同作用是真實、可測的，即使沒人觀察它們也一樣。”一個有序系統的低熵可視作是主觀湧現的例子：觀察者透過忽略潛在的微觀結構觀察到有序的系統，並得出結論：該系統具有低熵。另一方面，混亂、不可測的行為也可視作是主觀湧現，微觀尺度上各部件的運動可以完全確定。宗教、藝術和人文領域.在宗教中，湧現是宗教自然主義和合成主義進行表達的基礎，在完全自然主義的過程中，複雜形式從簡單形式中產生或演化而來。2006年Ursula Goodenough和Terrence Deacon的《自然的神聖湧現》關於社會形態湧現的論點，部分源於宗教。新社會系統的湧現與多個互動部分的湧現有關，後者主要是個人的思想、意識與行為。在藝術中，湧現被用於探索創意和作者身份的本質。一些文藝理論家。在國際發展中，湧現現象用於一個被稱作“SEED-SCALE”的社會變革理論中，以表明社會原則如何透過相互作用，從社會-物態-生物圈中湧現出適合文化、經濟和環境的社會經濟發展。這些原則可以用一連串的標準化任務，利用遞迴的評價標準，以單獨的特定方式進行自組裝來實施。在後殖民研究中，“湧現文學”指在全球文學領域勢頭強勁的當代文體。相對地，“新興文學”則是文學理論的概念。湧現性質與過程.簡單動因在環境中互動，作為一個集體表現出更復雜的行為，也就是湧現。若湧現發生在不同的尺寸尺度，原因通常是尺度間的因果關係——在具有湧現特性的系統中，通常有自上而下的反饋。產生湧現特性的過程通常可從積累變化的模式識別出來，稱作“增長”。湧現行為產生於不同規模與反饋的複雜因果關係，即所謂互連性。複雜行為或性質不是任何此種實體的性質，也無法從低層次實體的行為中輕易推得。鳥群或魚群的形態是湧現特性的良好例子之一。湧現行為難以預測的一個原因是，系統的組成之間相互作用的數量隨著組分數量呈指數增長，從而允許新的行為型別出現。湧現往往是特定互動模式的產物。負反饋引入了約束，用於固定結構或行為；正反饋則促進變化，允許區域性變化發展到全體。相互作用引起湧現的另一種方式是雙相演化，見於間歇性互動的系統，有兩個階段：第一階段，模式形成與增長；第二階段，模式完善或移除。另一方面，僅是擁有大量相互作用不一定就會湧現，許多作用可能可忽略或互相抵消了。某些情況下，大量相互作用會產生大量“噪音”，淹沒可能的“湧現”。在達到足夠規模以支援自我之前，湧現行為可能需要與其他互動隔離才能顯現出來。因此，應鼓勵的不僅是組分間連線的數量，還有連線的組織方式。等級組織是產生湧現的例子；但更分散的組織結構也可以產生湧現，如市場。有時，系統必須兼具一定多樣性、組織性與連線性，才能發生湧現。意外後果、副作用與用線性質密切相關。Luc Steels寫道：“一個部分一般有一個特定功能，但不能被識別為整體功能的一部分。相反，元件行為的副作用反而有助於整體功能的實現……每個行為都有副作用，副作用的總和也就實現了所需的整體功能。”換句話說，系統的整體功能是所有“副作用”、所有湧現性質和功能的總和。具有湧現性質或結構的系統看上去違反了熱力學第二定律：在沒有指揮和中央控制時形成了秩序。不過這其實是可能的，因為開放系統可以從環境中提取資訊和秩序。湧現有助於解釋為什麼分割謬誤是謬誤。自然界的湧現結構.在從物理到生物的許多自然現象中，都可以發現湧現結構。例如熱帶氣旋這樣的天氣現象就是一種湧現結構。在有利的自然環境中，由水分子的布朗運動驅動的複雜有序晶體的生長，是另一個湧現過程的例子。這說明隨機性可以產生複雜有序結構。不過，據說晶體結構和氣旋也有一個自組織過程。湧現結構分三階。一階湧現結構是形狀相互作用的結果；三階湧現結構是形狀、時間與可繼承指令共同作用的結果。例如，生物體的遺傳密碼會影響生物體系統在空間和時間上的形式。無機物理系統.物理學中，湧現用於描述在宏觀尺度上發生，但不見於微觀的性質、規律或現象，儘管宏觀系統可視作是非常大的微觀系統集合體。湧現性質不需要比產生了它的基本性質更復雜。例如，熱力學定律非常簡單，而支配粒子間相互作用的定律相比之下非常複雜。因此，物理中的湧現並不用於表示複雜性，而是用於區分規律與概念所適用的尺度是宏是微。而另一種也許更泛用的設想湧現的方式確實涉及一定程度的複雜性：我們可以從微觀到宏觀的計算可行性得知湧現的“強度”。參考下面來自物理學的湧現定義：物理系統的湧現行為是一種定性的性質，只能在微觀成分趨近於無限時產生。由於現實中沒有真正的無限系統，所以在部分性質和整體性質之間並沒有明顯的自然分野。如下所述，一般認為經典力學是量子力學的湧現，儘管在原則上量子力學完全描述了經典水平上發生的一切。但是，從量子力學水平出發，就要用一臺比宇宙體積還大的計算機，用比宇宙壽命還長的時間才能描述一個蘋果的運動，因此可以認為，這是一種“強”湧現。強湧現所需的成分數量可以少得多。例如H2O分子湧現的特性與氫氣和氧氣都有很大不同。例子如：可以說，經典力學規律是量子力學規則應用於足夠大的質量上出現的一系列特例。這相當奇怪，因為人們通常認為量子力學要比經典力學複雜。基本粒子間的力是保守力，但對於更復雜的物質結構，非保守力摩擦力就出現了。連續介質力學中其他類似的概念也是湧現，如黏度、彈性、強度等等。冰川周圍地區的地面物質往往會形成明顯、通常對稱的幾何形狀。最初使用具有足夠大系綜的概念來推導，關於最似然分佈的波動可被完全忽略。然而小的團簇並不表現出尖銳的一階相變只適用於宏觀系統。用統計力學方法描述系統，要比用更基本的原子學方法簡單得多。具有隨機排列的二元，可視作此類物理系統的湧現特徵。這種排列可作為簡單物理原型，推導複雜系統湧現的數學公式。溫度也是微觀湧現出的宏觀行為的例子。在經典動力學中，大量粒子在平衡狀態下的瞬時動量狀態足以確定每個自由度的平均動能，其與溫度成正比。對於少量粒子，給定時刻的瞬時動量在統計學上不足以確定溫度。但利用遍歷假設，透過進一步平均足夠長時間內的動量，仍可以獲得任意精度的溫度。流體中的對流只有考慮溫度差時才有意義。對流單體，特別是貝納德單體是典型的自組織系統。在一些粒子物理學理論中，甚至像質量、空間和時間這樣的基本結構也被視為湧現，產生於希格斯玻色子或弦等更基本的概念。在對量子力學的一些詮釋中，對決定性現實的感知，即所有物體都有明確的位置、動量之類感知，實際上也是湧現，而物質的真實狀態由波函式描述，不需要有單一的位置或動量。今日我們所經歷的大多數物理學定律本身，似乎也是在時間過程中湧現的，這樣一來湧現就成了宇宙中最基本的原則，也就出現了一個問題：最基本的物理學定律是什麼？其他所有定律都從它那裡湧現出來。化學可視作是物理規律的湧現，生物學是化學規律的湧現，心理學是神經生物學規律的湧現，一些經濟理論將經濟學視作心理學的湧現。據Laughlin，對於許多粒子系統，微觀方程算不出什麼東西，宏觀系統的特徵來自對稱性破缺：由於相變，微觀方程的對稱性在宏觀不存在。因此宏觀系統擁有屬於自己的規律和描述方式，具有不依賴於微觀細節的性質。這不是說微觀相互作用與其無關，而只是在宏觀上看不到它們，只能看到再規範化的結果。Laughlin是個務實的理論物理學家：如果你不能，可能永遠不能從微觀方程中算出對稱性破缺的宏觀性質，那談論還原性的意義何在？生命、生物系統.湧現與演化.生命是複雜性的一個主要而演化是生命展現不同形式的主要過程。在這種觀點中，演化是描述自然界複雜性增長的過程，在談到複雜生物、生命形式出現時，也是如此。一般認為生命出現於早期的RNA世界，當時RNA鏈開始表現出達爾文設想的自然選擇基本條件：遺傳、型別變化與對有限資源的競爭。RNA複製體的適應度，而這反過來又被編碼在各自的核苷酸序列中。複製體間的競爭成敗將取決於適應度。關於演化中的因果關係，Peter Corning認為：各種協同效應在一班演化過程中，特別是在合作與複雜度演化中發揮了重要的因果作用...自然選擇常被描述為一種機制，或被擬人化為一種因果關係...但實際上，形狀或適應度的“選擇”是特定環境中特定生物體成功生存繁衍的結果。從中產生的功能效應最終導致了自然界中的遺傳與突變。按他對湧現的定義，Corning還談到了湧現與演化：[在]演化過程中，因果關係是反覆的；效果會成為原因。而這對於由湧現承諾書的協同效應來說同理。換句話說，湧現本身...一直是生物演化中湧現現象演變的根本原因；有組織系統產生的協同效應才是關鍵。群行行為見於許多種動物。湧現結構是許多動物群體中常見的策略，如螞蟻群、白蟻群、蜂群、魚群、鳥群等等。蟻群十分典型。蟻后不直接發號施令，每隻螞蟻對來自幼蟲、其他螞蟻、入侵者、食物和廢物的化學氣味刺激作出反應，並留下化學刺激，反過來又給其他螞蟻提供刺激。在這裡，每隻螞蟻都相當於一個單位，只據環境和基因做出所有反應。雖然缺乏集中決策，蟻群還是能表現出複雜行為，甚至有解決幾何問題的能力。例如，蟻群通常會找到離所有蟻穴入口最遠處堆放屍體。環境因素可能影響湧現。研究表明，Macrotera portalis蜂種存在湧現，湧現的出現模式與降雨量一致。具體說，與西南沙漠的夏末雨季和春旱存在一致。生物.生物學中湧現的一個更廣泛例子是生物，從亞原子水平到整個生物圈。例如，單個原子可以組成多肽等分子，又可以疊成蛋白質，又可以形成更復雜的結構。這些蛋白質從其空間構象中產生功能，並與其他分子互動，實現更高階的生物功能，並最終創造出有機體。另一個例子是混沌理論中的級聯表型反應如何從單個基因各自的變異中出現。在最高層次上，世界上所有生物群落構成了生物圈，所有人類形成了社會。意識的湧現.在生命演化論所考慮的現象中，根本問題之一是智人的起源。意識的湧現被作為一種特殊系統知識的獨立現象，稱為“智慧圈”。人文.自發秩序.人類群體如果自由地管理自己，便會自發形成秩序，而不會是無意義的混亂。莊子已經在社會中觀察到這一點。人是社會的基本要素，人永遠在互動，並在創造、維持或解除相互的社會紐帶。社會系統中的社會紐帶在結構不斷重構的意義上是永遠變化的。交通環島是很好的例子，其可以高效組織汽車出入，一些現代城市已經開始用環島代替擁堵路口的紅綠燈，並取得了更好的效果。開源軟體和Wiki專案是更有說服力的證明。湧現可見於許多地方，如城市、陰謀論、經濟學中市場主導的少數群體現象、計算機模擬中的組織現象和細胞自動機。每當眾多個體相互作用，秩序就會從無序中湧現，出現模式、決定、結構或方向改變。經濟學.股市是大規模湧現的例子。作為整體，它精確地調節著世界各地公司的相對安全股價，但沒有領導者；若無經濟規劃，則事實上沒有任何實體能控制整個市場的運作。經紀人或投資者在自己的投資組合中只瞭解數量有限的公司，必須遵循市場的監管原則，並對交易進行單獨或分組分析。技術分析師會對出現的趨勢和模式進行深入研究。網際網路.全球資訊網是去中心化系統的流行離子，表現出湧現性。沒有中央機構配給連結數，但指向每個頁面的連結數遵循冪定律：少數頁面被大量連結，多數頁面很少被連結。全球資訊網連結網路中，幾乎任何一對網頁都有相對較短的連結鏈相互連線。雖然這一性質現在眾所周知，但最初是在一個不受管制的網路中實現，委實令人意想不到。小世界網路也有這一特徵。網際網路也表現出一些湧現特徵。在擁堵控制機制中，TCP協議 可以在瓶頸處實現全域性同步，同時在協調中增減吞吐量。擁堵是種普遍的困擾，可能是高流量流瓶頸在整個網路中擴散形成的湧現性質，可視作一種相變。在基於網路的系統中，另一種重要的湧現是社交書籤，這種系統中，使用者回會為與其他使用者共享的資源打標籤，眾多使用者打的標籤形成了一種資訊組織。最近的研究從經驗上分析了這類系統的複雜動態，表明即使在沒有統一標籤表的情況下，也出現了關於穩定分佈與較簡單的共同標籤表。有人認為，這可能是因為使用者都說同一種語言，因而在選擇詞彙時有類似的語義結構。因此，社會標籤趨同可被解釋為，具有相似語義解釋的人合作索引線上資訊時出現了有秩序的抽象結構。建築與城市.湧現結構或表現為自發秩序，或出現在不同綜合層次的組織中。自組織湧現常見於沒有規劃或預先分割槽的城市。對湧現行為的跨學科研究通常認為不是單一同質領域內的研究，都要下降到應用領域中。建築師可能不會涉及建築群的所有通道，而可能先讓使用模式自由發展，再在人流量大處鋪設路面。2007年城市挑戰賽的場上行為和車輛前行可被視為控制論湧現。道路的使用模式、不確定的障礙物清除時間等因素將共同形成一個複雜的湧現模式，無法事先確定計劃。克里斯托弗·亞歷山大建築學派對湧現採取了更深入的方法，試圖改變城市擴張過程以影響城市形態，建立了與傳統時間相結合的全新規劃設計方法，即湧現城市主義 .。城市湧現也與城市複雜性、城市演化理論相聯絡。建築生態學是理解建築和建築環境的概念框架，是建築、居住者和大環境間動態依賴的元素的介面。建築生態學家Hal Levin不將建築視作無生、靜態物體，而是生物和非生物系統的交介面。室內微生物生態在很大程度上取決於建築材料、居住者、室內物品、環境背景和室內外氣候。大氣化學與室內空氣質量，以及室內發生的化學反應之間的關係非常密切。這些化學物質可能是微生物的營養物、中性物或滅殺劑。微生物生產的化學物質會影響建築材料和居住者的健康。人類會透過通風調節溫溼度，也會影響微生物繁殖演化。Eric Bonabeau試圖透過交通定義湧現：“交通擁堵實際上非常複雜而神秘。在個體層面，每個司機都想去某個地方，並遵守。但交通擁堵是不同的獨立實體，產生於這些個人行為。例如高速路上的擁堵，在所有車都在往前走時，擁堵部分可以無緣無故地向後移動。”他還舉了對市場趨勢和員工行為分析的例子說明湧現。AI.一些人工智慧計算機程式可以模擬湧現。如Boids，可以模擬鳥群群行行為。語言.有人認為語法的結構和規律性，或至少是語言變化，也是一種湧現。每個話者只是以一種特定方式試圖達到自己特定的交際目標，如果有足夠多使用者這樣交流，語言也就改變了。在更廣泛的意義上，一種語言的規範可被看做是在各種社會環境中長期解決交際問題形成的系統。湧現變化過程.在團體促進和組織發展領域，已經出現了一些新的群體過程，旨在用一套最低限度的有效初始條件，最大程度實現湧現和自組織。如SEED-SCALE、欣賞式探詢、未來探索、世界咖啡館、開放空間技術等。