Emergentie

Reductionisme en emergentie zijn elkaars complement.

Reductionisme en emergentie lijken twee kanten van hetzelfde verschijnsel te zijn, ze zijn m.a.w. complementair.[2] Reductionisme volgt de weg terug in de tijd: hoe is het ontstaan? Welke oorzaken liggen er aan ten grondslag? Emergentie is juist het gevolg in de tijd van een wisselwerking waardoor er iets nieuws ontstaat. Beide: emergentisme en reductionisme vullen elkaar dus complementair aan.

Voorbeeld: als je waterstofgas en zuurstofgas met elkaar mengt krijg je niet automatisch water. Je moet het gasmengsel (dat niet ten onrechte “knalgas” heet ) aansteken d.m.v. een vonk, of gebruik maken van een katalysator. Kortom: niet alleen de ingrediënten, maar ook de omstandigheden spelen een belangrijke rol. Heb je dit eenmaal ontdekt dan heb je een “recept”(in andere gevallen een algoritme) gevonden voor het maken van water. De eigenschappen van het watermolecuul verschillen echter aanzienlijk van de componenten waterstof en zuurstof. Daarom noemen we die eigenschappen emergent. Die eigenschappen van water (bv. faseovergangen, oppervlaktespanning, dipool-karakter) kun je d.m.v. een reductionistische werkwijze wel weer onderzoeken en analyseren op basis van onze kennis van het H₂O molecuul.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen sterke en zwakke emergentie. Bij zwakke emergentie blijven de samenstellende onderdelen onafhankelijk van elkaar: ze blijven hun karakteristieke eigenschappen behouden. Er komt echter door onderlinge wisselwerking een nieuwe eigenschap bij die verbonden is met het collectief, maar die niet verbonden is met welk onderdeel dan ook. De wisselwerking waardoor zo'n emergent verschijnsel ontstaat is meestal tijdelijk van aard (bv. een draaikolk, een vlucht spreeuwen, een autofile, paniek in een mensenmassa) en wordt vaak door externe oorzaken "getriggered". Het ontstaan van zo'n zwak emergent verschijnsel is vaak te simuleren d.m.v.een mathematisch model of programma.

Bij sterke emergentie verliezen de samenstellende onderdelen hun onafhankelijkheid en vormen een nieuwe, emergente, hyperstructuur (zie Nils A. Baas and Claus Emmeche: On Emergence and Explanation) of systeem die min of meer stabiel is (bv. een chemische reactie, kristalvorming, kernfusie, een mutatie in het DNA, een artefact).
Het onderscheid is niet altijd even scherp te maken: zijn de mieren in een mierenkolonie onafhankelijk van elkaar? En is dus de kolonie zwak emergent?

In een andere opvatting[3] wordt emergentie als een fenomenologische theorie gezien die een limiet is van een meer fundamentele (i.e. reductionistische) theorie. Zo kun je bv. de klassieke mechanica zien als de limiet van de kwantummechanica en de thermodynamica als limiet van de statistische mechanica. Hoe die limiet bereikt wordt is echter vaak onduidelijk. Die fenomenologische theorieën hebben emergente eigenschappen die strijdig lijken te zijn met de onderliggende fundamentele theorie, zoals:

• Het irreversibele karakter van hydro- en thermodynamica is incompatibel met reversibiliteit van de Newtoniaanse bewegingswetten. Dit komt b.v. tot uiting in het begrip Entropie.
• Spontane symmetriebreking is incompatibel met quantum-statistische mechanica.
• De uitkomst van een meting (het “Ineenstorten van de golffunctie”) is incompatibel met de unitaire kwantumtheorie.

Beide laatste voorbeelden komen tot uiting in de paradox van “Schrödingers kat”.

Het determinisme, waarbij oorzaak en gevolg relaties nauwkeurig op elkaar zijn afgestemd faalt dus in het verklaren van optredende emergente verschijnselen. Bij emergentie draait het om complexe wisselwerkingen, waarvan het resultaat niet bij voorbaat (zoals in het determinisme) vaststaat en toeval een belangrijke rol speelt. In simpele gevallen (bv. het gedrag van autofiles, zwermen spreeuwen, visscholen en cellulaire automaten) kan door simulatie m.b.v. algoritmes wel een toestand gecreëerd worden waar emergentie mogelijk is, maar de uiteindelijke herkenning van het emergente gedrag (bv. Artificial Life) gebeurt door de waarnemer zelf vanuit zijn subjectieve perspectief.
Superveniëntie is een bijzondere vorm van emergentie waarbij er een een-op-eenrelatie bestaat tussen het emergente (superveniërende) verschijnsel en zijn onderliggende bouwstenen. Zo supervenieert een molecuul boven zijn samenstellende atomen. En in de biologie supervenieert het fenotype over het genotype: een mutatie in de genen heeft direct repercussies voor het fenotype dat daar het gevolg van is. Er is hier sprake van een causaal verband, maar geen voorspelbaar deterministisch verband, omdat er nog tal van andere (vaak toevallige) oorzaken een rol spelen in het bepalen van het eindresultaat.

• Kleur: individuele atomen hebben geen kleur, maar wanneer een (groot) aantal atomen op een bepaalde wijze gerangschikt zijn, dan zijn ze in staat om licht van bepaalde golflengtes te absorberen of te emitteren, waardoor een kleur zichtbaar wordt. Kleur is in dit geval een emergente eigenschap.[4]
• Temperatuur: De ervaring van temperatuur, warmte en koude, wordt veroorzaakt door de energie, de snelheid, van een groot aantal moleculen. Bijvoorbeeld de botsende luchtmoleculen van de lucht op de huid doet de ervaring van temperatuur ontstaan, maar moleculen zelf hebben geen temperatuur. De fysische toekenning van temperatuur door deze te koppelen aan de gemiddelde snelheid van een statistisch aantal moleculen kan worden beschouwd als een epistemologische emergentie - dus een kwestie van naamgeving aan hetzelfde verschijnsel.
• Vloeibaarheid: bijvoorbeeld van water bij kamertemperatuur, dat bestaat uit zeer vele watermoleculen die elk afzonderlijk niet vloeibaar zijn.
• Leven in biologische zin wordt ook als een emergente eigenschap beschouwd. Een cel bestaat namelijk uit vele organische moleculen. De individuele organische moleculen leven niet, maar de complexe interacties tussen al die organische moleculen zorgen ervoor dat de cel zich in leven kan houden. Het geheel (leven) is dus meer dan de som der delen (organische moleculen).
• Bewustzijn wordt door velen gezien als een emergent verschijnsel dat optreedt bij een voldoende complex neuraal netwerk. Dat roept dan weer de vraag op of een computer met een voldoende complex netwerk van parallele processoren "bewustzijn" kan worden toegekend.
• Binnen de kwantummechanica zelf treden ook emergente verschijnselen op: de waarschijnlijkheid op het aantreffen van een gecombineerd verschijnsel is niet gelijk aan de som van de waarschijnlijkheden van elk verschijnsel afzonderlijk: |Ψ_Α + Ψ_B|² ≠ |Ψ_A|² + |Ψ_B|². Interferentie is hier een duidelijk voorbeeld van.
• Ruimte en tijd kunnen gezien worden als kwantummechanische verstrengelingsentropie en als emergente eigenschappen.[5][6]
• De werking van een katalysator (bv. een enzym) wordt pas emergent als hij in de buurt komt van geschikte chemische stoffen om een reactie te bewerkstelligen. Hier blijkt ook een tijdsafhankelijkheid uit: òf een stof kan dienen als katalysator voor een bepaalde chemische reactie wordt immers pas duidelijk als hij toevallig in de buurt van die reagentia komt. En dat kan lang duren.... Stuart Kauffman[7] maakte aannemelijk dat bij een moleculaire evolutie (zoals die bv. in het heelal plaats vindt) waarbij er steeds complexere moleculen ontstaan, de kans dat zo'n molecuul kan optreden als katalysator voor de vorming van nòg complexere moleculen steeds groter wordt. Door een dergelijk autokatalytisch proces zou het ontstaan van leven als emergent verschijnsel verklaard kunnen worden.
• Uitvindingen en alle artefacten (bv. kunstwerken) kunnen als emergent worden beschouwd omdat hier samenstellende onderdelen op een bijzondere manier worden gecombineerd, waardoor het geheel andere/nieuwe eigenschappen krijgt. Dat geldt ook op het geestelijke vlak: een nieuw inzicht of zienswijze bij de oplossing van een probleem kan als emergent worden beschouwd.
• Autofile: als een auto in een file van voldoende dichtheid afremt krijg je een verdichting van auto's die zich als een longitudinale golf naar achteren beweegt. Dit verschijnsel is emergent omdat het een eigenschap is van het collectief van auto's en niet bestaat op het niveau van de auto's zelf.[8] Dit verschijnsel is prima in een computermodel te simuleren en is een voorbeeld van zwakke emergentie.

Zo bezien is dus bijna alles wat zich aan ons voordoet emergent. Maar hierin zijn wel verschillende niveaus te onderscheiden: In de deeltjesfysica bestudeert men elementaire wisselwerkingen, die op hun beurt wellicht uit snaren bestaan. Een (sterke) emergentiestap hoger is de bouw van een atoom, terwijl een molecuul weer uit atomen bestaat. Op dit moleculaire niveau is de scheikunde en de Vastestoffysica bezig, terwijl de microbiologie zich weer met nog complexere moleculen bezig houdt. Op elk niveau worden weer nieuwe sterke emergente eigenschappen ontdekt, die kenmerkend zijn voor dat niveau. Elk wetenschappelijk specialisme houdt zich dus bezig met het onderzoek naar emergente verschijnselen die passen bij dat niveau. Interdisciplinair onderzoek naar emergentie wordt in Nederland gepubliceerd op het het platform Dutch Institute for Emergent Phenomena^{[dode link]}.

Een emergent verschijnsel is subjectief als het wordt bepaald door het perspectief van de waarnemer. Bv.: de regenboog, maar ook alle andere zintuiglijke waarnemingen. Artefacten, uitvindingen en kunstwerken zijn eveneens subjectief: zij krijgen pas een emergente betekenis in een bepaalde context die door de waarnemer begrepen wordt. Ontbreekt die context, of wordt die door de waarnemer niet herkend, dan verdwijnt deze emergentie.

Een emergent verschijnsel is objectief als het ook bestaat "als er niemand kijkt". Dit zijn vrijwel alle verschijnselen die zich in de realiteit voordoen. Meestal heeft een emergent verschijnsel zowel subjectieve als objectieve kanten. Bv.: een kunstwerk is als fysiek verschijnsel objectief emergent, maar of het ook "kunst" is is een subjectieve beoordeling.

Emergentie is schaalafhankelijk: emergente verschijnselen worden pas "zichtbaar" voor een waarnemer (of een mechanisme) die zich op dezelfde of grotere schaal bevindt. Het perspectief van de waarnemer bepaalt dus welke emergente verschijnselen hij wel of niet ziet. Zo is bv. de lage entropie van een geordende verzameling louter het gevolg van het perspectief van de waarnemer.[9] Het feit dat emergentie altijd het gevolg is van een wisselwerking (waaronder ook de wisselwerking met een waarnemer) ondersteunt de opvattingen van de relationele kwantummechanica.[10] Deze visie huldigt de opvatting dat de emergente werkelijkheid uitsluitend uit wisselwerkingen bestaat, in het bijzonder de wisselwerking met een waarnemer/meetinstrument.

De opvatting dat verschijnselen emergent kunnen zijn is niet strijdig met het reductionisme. Om te begrijpen hoe een emergent verschijnsel ontstaat is een reductionistische aanpak noodzakelijk, maar niet voldoende. Het betreft immers eigenschappen en kenmerken die niet in de onderliggende bouwstenen zijn terug te vinden. Het holisme verwerpt echter elke reductionistische verklaring.

• De ontdekking van de aarde, Pieter Westbroek, 2012

• Dutch Institute for Emergent Phenomena (DIEP)