Концепция «эмерджентности» в сложных системах была предметом обширного изучения. Она важна в естественных и физических науках и, все больше, в инженерии. В этом контексте существует критическое различие между «сложной системой» и просто «усложненной системой».
- Эмерджентные эффекты сложных систем — это, в общем, явления, присутствующие в системе, которые не разделяются и не могут быть объяснены пониманием или рассмотрением составных компонентов системы в отдельности. Это часто выражается как «целое больше, чем сумма его частей»
Например, бормотание стай скворцов, координация и формирование гигантских шаров из рыбы или строительство мегаполисов муравьев. И в нашем собственном мозге «большие» тайны: как разум возникает из физического мозга? Что такое самосознание? И даже что такое сознание?
Как физические ограничения приводят к возникновению эмерджентных эффектов
Подробное понимание физики и математики того, как возникают такие эмерджентные эффекты, по-прежнему является предметом многих интенсивных научных и философских исследований. Пока еще нет общепринятых математических моделей или структур, которые бы универсально охватывали, описывали и предсказывали возникновение чего-либо в физически различных сложных системах. Тем не менее, был достигнут большой прогресс. В некоторых случаях целые исследовательские институты посвятили себя этой теме. Легендарный Институт Санта-Фе в Санта-Фе, штат Нью-Мексико, основанный в 1984 году, в частности, был создан для изучения сложности и возникновения систем.
Несмотря на это, за всем этим стоит интуиция, которую можно концептуализировать. Повседневные физические системы (т. е. неквантово-механические) подчиняются физическому составу, из которого они состоят. Этот состав обязательно вводит физические ограничения в систему, которые в конечном итоге приводят к различным функциональным возможностям.
Другими словами, «вещи» сделаны из «вещества», и то, что эти вещи делают, как они это делают, и пределы того, чего они могут достичь, является результатом того, как взаимодействует и функционирует вещество, из которого они сделаны.
В любом произвольном масштабе физической организации, физический объект будет делать то, для чего он был предназначен, будь он спроектированный или естественно возникший. Он может это делать просто потому, что он отражает физику в этом масштабе. И он будет делать это независимо от того, что делают другие вещи вокруг него. Конечно, он может взаимодействовать и подвергаться влиянию других подобных ему вещей или других вещей в его среде. Такие взаимодействия могут, конечно, влиять на то, как ведет себя рассматриваемая вещь. Но такие взаимодействия, тем не менее, сами по себе являются просто другими физическими ограничениями, которые обычно включают обратную и прямую передачу информации.
Нейроны в мозге человека в качестве примера
Это все довольно абстрактно, поэтому рассмотрим конкретный пример: человеческий мозг. Структура мозга охватывает множество пространственных масштабов организации. От генов и молекул до клеток, сетей клеток и сетей областей мозга. Итак, давайте выберем интуитивно узнаваемый масштаб, в котором мы можем различить отдельную «вещь». Физически независимый компонент в определенном масштабе организации в мозге.
Рассмотрим отдельные нейронные клетки мозга как «вещь». Как уже упоминалось, существует множество масштабов организации и функции ниже масштаба нейрона. К ним относятся гены, молекулы, белковые комплексы и «молекулярные машины», такие как ионные каналы. Сам нейрон состоит из вычислительно и функционально различных и независимых частей: его дендритов, сомы, аксона и синаптических разветвлений (мы не будем здесь вдаваться в подробности каждой части). Существует также множество масштабов организации выше нейрона. Нейроны соединяются друг с другом, образуя локальные нейронные цепи, которые объединяются, образуя структуры, такие как корковые колонны. В конечном итоге отдельные анатомические и функциональные области мозга соединяются в масштабе всего мозга.
Но рассматриваемый как отдельная индивидуальная «вещь», нейрон состоит из влажных и вязких физических субстратов, которые организованы определенным образом, которые поддерживают определенные виды процессов, которые функционально выполняют определенные виды вычислений. Конечно, нейрон взаимодействует, находится под влиянием и влияет на множество других вещей, включая другие нейроны. Но отдельный нейрон делает то, что делает нейрон, просто потому, что в конце концов он физически создан, чтобы быть нейроном. Он не осознает свою физическую структуру — он просто физически такой, какой он есть. И ему все равно, что делают другие вещи, с которыми он взаимодействует, или как они это делают. Он просто взаимодействует, потому что его физическая структура позволяет ему это.
Однако, даже если «вещь» или компонент системы, например, один нейрон из примерно 85 миллиардов нейронов в мозге, действует независимо от всех других вещей вокруг него и не осознает своего собственного физического строения или того, что он делает, он обязательно вносит вклад в большее целое — в систему. Как? Передавая и внося информацию в масштаб организации внутри системы, которая находится на один уровень выше.
Критическая концепция здесь заключается в том, что информация, которую компонент передает на следующий уровень, приводит к самоинициированной реорганизации коллективной интеграции всей информации от всех участвующих компонентов таким образом, что она имеет смысл и контекстуально существует только на этом более высоком уровне.
Говоря короче, выход этих компонентов по сути самореорганизует один уровень в системе выше, что приводит к новому функциональному контексту для этой информации. Такая самореорганизация не является таинственной или магической, а скорее является не чем иным, как продуктом любого физического строения вещей, которые составляют компоненты на этом более высоком уровне организации. Подобно компонентам, которые предоставляют информацию с более низкого уровня, этот более высокий уровень подчиняется своей собственной физической структуре и ограничениям и действует независимо от чего-либо вокруг него, не осознавая, откуда взялась эта информация, как или почему она была реорганизована.
Например, обучение и обработка информации, которые может выполнять нейронная цепь, могут быть определены и имеют смысл только тогда, когда мы рассматриваем нейронную цепь как ее собственную «вещь». Она не имеет контекста, если мы просто рассматриваем схемы срабатывания отдельных нейронов, которые вносят вклад в цепь.
Информация, которая является результатом физических процессов на одном уровне, по-видимому, передается и реорганизуется, следуя по пути «наименьшего сопротивления», естественным образом вытекающему из иерархических ограничений, налагаемых физикой, составляющей систему (или совокупность систем).
Итак, учитывая эту физическую интуицию о возникновении, каким же образом передача и самореорганизация информации по физическим и функциональным масштабам мозга в конечном итоге приводят к самореферентным возникающим свойствам, таким как самосознание и сознание? Что ж, несмотря на все, что было написано по этой теме, точного ответа научного сообщество на этот вопрос пока нет. Возможно, Вы станете тем, кто раскроет секрет эмерджентности сложных систем!
Ключевые моменты статьи
1. Эмерджентные свойства. Отдельные нейроны действуют независимо, но их взаимодействие в большом масштабе приводит к возникновению новых свойств. Это явление можно назвать эмерджентностью, когда свойства системы не могут быть полностью объяснены через анализ её отдельных компонентов. Сознание может рассматриваться как эмерджентное свойство, возникающее из сложной сети взаимодействий между нейронами.
2. Передача информации. Нейроны передают информацию друг другу через синапсы, и эта информация реорганизуется на более высоком уровне. Это подчеркивает важность не только индивидуальных нейронов, но и их взаимосвязей и сетевой структуры. Как только информация передается, она может быть переработана на уровне нейронных сетей, что создает новый контекст и значение.
3. Самореорганизация. Информация, передаваемая на более высокий уровень, приводит к самореорганизации. Это может быть связано с тем, как мозг адаптируется и учится на основе опыта. Например, нейропластичность — это способность мозга изменять свои структуры и функции в ответ на обучение или травму.
4. Физическая структура и ограничения. Эмерджентные свойства зависят от физической структуры системы. В случае мозга это включает не только нейроны, но и глиальные клетки, сосудистую систему и другие компоненты, которые поддерживают его функционирование. Эти физические ограничения могут влиять на то, как информация обрабатывается и как возникают более сложные когнитивные функции.
5. Сознание и самосознание. Вопрос о том, как именно возникает сознание из этих сложных взаимодействий, остается открытым. Некоторые теории предполагают, что сознание может быть связано с определенными паттернами активности в нейронных сетях или с определенными уровнями интеграции информации. Самосознание, в свою очередь, может возникать как результат способности системы рефлексировать на собственные состояния и процессы.
Таким образом, хотя точный механизм возникновения эмерджентных свойств у сложных систем все еще не ясен, взаимодействия на различных уровнях организации структур помогают понять, как физические и функциональные аспекты могут способствовать появлению этих сложных свойств. Исследования в этой области продолжаются, и возможно, новые открытия помогут пролить свет на эту загадку в будущем.
Интересные ссылки по теме
Youtube-материалы:
*Мурмура́ция — явление скоординированного полёта огромных стай птиц, образующих динамические объёмные фигуры переменной плотности.
Название происходит от мурмурационного звука, который издают крылья скворцов, когда бьют в унисон. Считается, что мурмурация защищает скворцов от хищников, а также согревает их ночью.
Автор: Полина Нерсисян
Источник: https://www.forbes.com/sites/gabrielasilva/2024/07/28/what-is-emergence-in-complex-systems---and-how-physics-can-explain-it/
Больше увлекательных статей о научных открытиях можно найти в нашем канале по тегу #КопилкаЗнаний. Подписывайтесь на «Ученые в сети», откройте для себя увлекательный мир науки!