Sammenhængen mellem emergens og entropi: En dybdegående analyse

Definition af emergens og dens grundlæggende principper

Emergens refererer til fænomenet, hvor komplekse systemer udviser nye og uforudsigelige egenskaber, der ikke kan reduceres til de enkelte dele af systemet. Dette betyder, at egenskaberne ved et komplekst system ikke kan forudsiges ud fra egenskaberne ved dets enkelte komponenter. I filosofi, systemteori, videnskab og kunst opstår emergens, når en kompleks entitet har egenskaber eller adfærd, som dens dele ikke har på egen hånd, og som kun opstår, når de interagerer i en større helhed. Emergens spiller en central rolle i teorier om integrative niveauer og komplekse systemer, hvor fænomenet liv, som studeres i biologien, er en emergent egenskab af kemi og fysik. Et vigtigt princip i kompleksitetsteori er netop begrebet om emergens, som beskriver, hvordan nye egenskaber opstår, der ikke kan forklares ved at reducere systemet til dets enkelte dele.

Entropi og dens forskellige definitioner

Entropi er et mål for, hvor meget uorden eller tilfældighed, der er i et system: Høj entropi er et udtryk for stor uorden, mens lav entropi er et udtryk for stor orden. Begrebet blev oprindeligt indført som et beskrivende begreb inden for termodynamikken i fysik og kemi, og gør det muligt at formulere termodynamikkens 2. lov: Væksten i entropien for universet vil altid være positiv. Dette betyder at alle processer i naturen forløber i en sådan retning, at universets entropi vokser, og entropiens vækst bestemmer retningen af 'tidens pil'. Entropi kan også beskrives som et udtryk for den samlede uorden eller tilfældighed i et system, og repræsenterer en spontan forøgelse af uorden - en irreversibel proces, hvis ikke der tilføres energi. I termodynamikken betyder entropi fordeling og ligevægt over tid, indtil ulighederne er udjevnet, mens i statistisk mekanik handler det om sandsynlighed i forhold til antall mulige utfall.

Teoretiske perspektiver på forholdet mellem emergens og entropi

Forholdet mellem emergens og entropi er komplekst og ofte misforstået. I nogle tilfælde ses emergens som en forklaring på entropi, mens i andre tilfælde forklares emergens ved hjælp af entropi. Ifølge en teori om emergens baseret på entropi fører øget information (energi) til øget uorden (entropi), hvilket forårsager makrosystemers adfærd og nye mikrosystemrelationer (emergens). Omformuleret: når entropien i et system af systemer øges, øges variationen af mikrorelationer og makrotilstande, hvilket resulterer i emergens. Denne opfattelse peger på, at der eksisterer en dyb forbindelse mellem loven om emergens og horisonttermodynamik, der rækker ud over Einsteins relativitetsteori uanset rummets krumning.

Emergens og entropi i fysiske systemer

I fysiske systemer anvendes emergens til at beskrive en egenskab, lov eller fænomen, som forekommer på makroskopiske skalaer (i rum eller tid), men ikke på mikroskopiske skalaer, på trods af at et makroskopisk system kan ses som et meget stort ensemble af mikroskopiske systemer. En emergent adfærd af et fysisk system er en kvalitativ egenskab, der kun kan opstå i grænsen, hvor antallet af mikroskopiske bestanddele tenderer mod uendelig. Ifølge Robert Laughlin kan intet beregnes nøjagtigt fra de mikroskopiske ligninger for mange-partikelsystemer, og makroskopiske systemer er karakteriseret ved brudt symmetri: symmetrien i de mikroskopiske ligninger er ikke tilstede i det makroskopiske system på grund af faseovergange. Som et resultat beskrives disse makroskopiske systemer i deres egen terminologi og har egenskaber, der ikke afhænger af mange mikroskopiske detaljer.

Det teoretiske grundlag for højere ordensniveauer

Teoretisk fysiker Philip W. Anderson udtrykker forholdet mellem reduktionisme og emergens således: "Evnen til at reducere alt til simple fundamentale love indebærer ikke evnen til at starte fra disse love og rekonstruere universet". Konstruktivistiske hypoteser bryder sammen, når de konfronteres med de dobbelte vanskeligheder ved skala og kompleksitet. På hvert niveau af kompleksitet dukker helt nye egenskaber op; psykologi er ikke anvendt biologi, ligesom biologi ikke er anvendt kemi. Derfor bliver helheden ikke blot mere, men meget forskellig fra summen af dens dele. Dette synspunkt underbygges af nyere forskning, der påviser, at der findes en klasse af uendelige fysiske systemer, som udviser ikke-beregnelige makroskopiske egenskaber, og at omend makroskopiske begreber er væsentlige for at forstå vores verden, er en "teori om alt" kun én af mange komponenter, der er nødvendige for at opnå en fuldstændig forståelse af universet.

Emergens som selvorganisering

En anden vigtig ide i kompleksitetsteori er selvorganisering, som beskriver, hvordan komplekse systemer har evnen til at organisere sig selv og opretholde en vis stabilitet og orden uden ekstern styring. Dette sker gennem interaktionen mellem systemets komponenter. Selvorganisering er tæt forbundet med emergens, hvor systemet får egenskaber, som ikke fandtes hos dets komponenter. I selvorganiserende systemer dannes nye mønstre og sammenhænge uden påvirkning udefra. Forskningen på området har rødder i discipliner som kybernetik, informationsteori, selvorganiserende systemer og kaosteori, og man forsøger med bl.a. computermodeller at forstå de generelle principper bag dannelse af fysiske, kemiske og biologiske mønstre i naturen såvel som i politiske og økonomiske systemer.

Emergens og entropi i biologiske systemer

I biologiske systemer illustreres balance mellem emergens og entropi tydeligt. Når vi ser på form fra et andet perspektiv, kan vi genkende entropi og emergens som vigtige faktorer i skabelsen af form. Entropi af form er et "katalog" over alle mulige former for hvert sæt af begrænsende faktorer. Emergens defineres her som summen af fysiske og kemiske kræfter, interne eller eksterne, der fungerer som begrænsninger og skævvrider resultatet af entropi mod former med højere sandsynlighed. Den konstante ændring i begrænsningerne gennem genetik, ved produktion af nye proteiner, sammen med entropi og emergens, resulterer i en forudsigelig selvorganiserende biologisk form. Denne selvorganiserende proces har ingen central styring, som dikterer formen. Formen er ikke forudbestemt men er forudsigelig, da den følger principperne for entropi og emergens.

Emergens og entropi i homøostase

Homøostase kan ses som en dynamisk ligevægt mellem de modsatrettede kræfter, entropi og potentiel energi. Med tiden stiger entropien naturligt, men homøostatiske mekanismer anvender potentiel energi til konstant at modvirke denne entropistigning og opretholde systemets stabilitet. Homeøostase er afgørende for at booste immunsystemet, muliggøre forebyggelse og aktivt deltage i bekæmpelsen af sygdomme. Inden for rammerne af homøostase spiller potentiel energi og entropi afgørende roller i regulering af den dynamiske ligevægt, hvilket sikrer optimal biologisk funktion og informationsflow. Levende organismer har udviklet komplekse mekanismer til at modvirke virkningerne af entropi og opretholde balance, hvilket hjælper med at opretholde et relativt stabilt og konsistent indre miljø på trods af konstante udsving og ændringer i det ydre miljø.

Emergens i økologiske systemer

Struktur og sammensætning af økosystemer på tværs af skalaer er emergente dissipative strukturer drevet af energistrømmen og stigningen i entropi. Samfund og økosystemer er emergente egenskaber ved et system, der har udviklet sig til mest effektivt at sprede energi og øge entropi. Dette viser, hvordan biologiske systemer udvikler komplekse strukturer, der kan vedligeholde deres interne organisation på trods af generelt stigende entropi i deres omgivelser. I følge denne opfattelse er økologiske systemer ikke blot samlinger af arter, men emergente entiteter med deres egne karakteristiske dynamikker og egenskaber, der opstår fra interaktionerne mellem deres bestanddele.

Emergens vs entropi i universelt perspektiv

Universet er en konstant kamp mellem kræfterne af kreativ emergens og entropi. Subatomare partikler kombineres til atomer, som kombineres til molekyler, til proteiner, til celler, til flercellede organismer. Disse kombinerer sig for at skabe et emergent økosystem. Følsomhed over for sensoriske input kombinerer sig for at skabe emergent bevidsthed og sansning, og samspillet mellem individuel bevidsthed giver anledning til emergent kultur. Det faktum, at alt dette forekommer i et tomt univers, hvis regel er entropi, antyder, at der er en underliggende kreativ impuls, der findes i materien selv. Denne observation fører til spørgsmålet om, hvorfor denne impuls eksisterer i materien selv, når det ikke er åbenlyst, at der skal eksistere stabile molekyler. Det synes som et held, at atomer i vores univers kan kombineres til større molekyler, og det kunne meget vel være, at i andre universer — hvor den underliggende matematik er lidt anderledes — ville emergens være en umulighed.

Stærk og svag emergens

Anvendelsen af begrebet "emergens" kan generelt opdeles i to perspektiver, "svag emergens" og "stærk emergens". Svag emergens er en type emergens, hvor den emergente egenskab kan eftervises gennem computersimulering eller lignende former for efterfølgende analyse, som f.eks. dannelsen af en trafikprop, strukturen af en flok stære i flyvning eller en stime fisk, eller dannelsen af galakser. Afgørende i disse simuleringer er, at de interagerende medlemmer bevarer deres uafhængighed. Hvis ikke, dannes en ny entitet med nye, emergente egenskaber: dette kaldes stærk emergens, som det hævdes ikke kan simuleres, analyseres eller reduceres. David Chalmers skriver, at emergens ofte forårsager forvirring i filosofi og videnskab på grund af manglende afgrænsning mellem stærk og svag emergens, som er "helt forskellige begreber".

Informationsentropi og emergens

I informationsteorien er entropi det samme som uforudsigelighed. En linje bestående af gentagelse af et eneste tegn efter hinanden vil være fuldstændig forudsigelig, og entropi er dermed fraværende. En tekst, som består af kendte ord og overholder de grammatiske regler, vil være mere uforudsigelig og dermed mere entropisk, selvom det i høj grad er muligt at gætte sig til, hvilket tegn der kommer næst ud fra information, man har tilegnet sig fra de foregående ord og sætninger. Denne forståelse af entropi kan relateres til emergens i sproglige strukturer, hvor det er blevet argumenteret for, at strukturen og regelmæssigheden i sproggrammatik, eller i det mindste sprogforandring, er et emergent fænomen. Mens hver taler blot forsøger at nå sine egne kommunikative mål, bruger de sproget på en bestemt måde, og hvis nok talere opfører sig på den måde, ændres sproget.

Emergent form og entropi

Når vi betragter form fra et entropisk perspektiv, definerer vi entropi af form som sandsynligheden for, at forskellige former opstår under samme begrænsninger. Med andre ord har formen, der er mere sandsynlig under lignende begrænsninger, høj entropi, mens formen med mindre sandsynlighed for at forekomme har lav entropi. At forstå entropien af en given form er meget vigtigt, da det argumenterer for, at uden nogen ændring i begrænsninger ville formen, der resulterer fra højere entropi, være standardformen. I emergent form er processen med formskabelse, der følger principperne for entropi og emergens, kaldet den selvorganiserende form. Selvorganisering betyder, at på hvert stadium af formens udvikling, baseret på begrænsende faktorer, udvikler formen sig til en ny form uden en central kontrol, der regulerer processen.

Emergens i kunstig intelligens

Nogle kunstigt intelligente (AI) computerapplikationer simulerer emergent adfærd. Et eksempel er Boids, som efterligner sværmadfærd hos fugle. Denne type af kunstig intelligens repræsenterer et forsøg på at genskabe kompleks adfærd gennem simple regler, der interagerer på måder, som resulterer i emergente mønstre. Ligeledes kan internettrafik også udvise tilsyneladende emergente egenskaber. I overbelastningskontrolmekanismen kan TCP-flow blive globalt synkroniserede ved flaskehalse, samtidigt øge og derefter reducere gennemløb i koordination. Overbelastning, der i vid udstrækning betragtes som en gene, er muligvis en emergent egenskab ved spredning af flaskehalse på tværs af et netværk ved høj trafikstrøm, hvilket kan betragtes som en faseovergang.

Metodologier til at analysere emergens og entropi

Entropibaserede metriker kan anvendes til at måle emergens i sociale systemer, herunder emergens af attribution, emergens af adfærd og andre former for emergens. Man kan også anvende spektral entropi som en metrik for metastabilitet ved parameterudforskning af global kobling og gennemsnitlig forsinkelse. I henhold til Crutchfield er definition af struktur og detektion af emergens i naturen i sig selv subjektive, omend væsentlige, videnskabelige aktiviteter. Disse problemer kan analyseres ud fra, hvordan modelbyggende observatører udleder de beregningsfærdigheder, der er indlejret i ikke-lineære processer, fra målinger. En observatørs opfattelse af, hvad der er ordnet, hvad der er tilfældigt, og hvad der er komplekst i dens miljø, afhænger direkte af dens beregningsressourcer: mængden af råmålingsdata, hukommelse og tid, der er til rådighed til estimering og inferens.

Emergens og entropi i intelligens og bevidsthed

I sammenhængen mellem intelligens og entropi argumenterer Alex Wissner-Gross fra Harvard University for, at visse former for intelligens er forbundet med en 'kausal entropisk kraft'. Han undersøger, hvad der sker i et system, hvor entropien ikke kun vokser med tiden, men hvor den også undervejs fra en tilstand til en anden er påvirket af en 'kausal entropisk kraft', der vil maksimere produktionen af entropi i processen. I en simpel situation, hvor et molekyle befinder sig i en lukket beholder, fører det til, at molekylet primært vil befinde sig i beholderens midte, hvor det har færrest begrænsninger for sine fremtidige bevægelser. Dette kan relateres til emergens gennem det princip, at systemet organiserer sig selv på måder, der maksimerer dets fremtidige handlingsmuligheder, hvilket potentielt kan ses som en grundlag for emergent intelligent adfærd.

Social emergens og entropi

Sociale systemer viser også emergente egenskaber. Mennesker er de grundlæggende elementer i sociale systemer, som uophørligt interagerer og skaber, vedligeholder eller opløser gensidige sociale bånd. Sociale bånd i sociale systemer er i konstant forandring med hensyn til den løbende rekonfiguration af deres struktur. Et tidligt argument (1904-05) for emergens af sociale formationer kan findes i Max Webers mest berømte værk, "Den protestantiske etik og kapitalismens ånd". For nyligt er fremkomsten af et nyt socialt system blevet forbundet med fremkomsten af orden fra ikke-lineære forhold blandt flere interagerende enheder, hvor multiple interagerende enheder er individuelle tanker, bevidsthed og handlinger. Det er blevet argumenteret for, at for eksempel vækst, akkumulation og innovation under kapitalismen kan betragtes som emergente processer, hvor ikke kun teknologiske processer opretholder vækst, men vækst bliver kilden til yderligere innovationer i en rekursiv, selvudvidende spiral.

Emergens i komplekse systemer og organisationer

Inden for området af gruppefacilitering og organisationsudvikling har der været en række nye gruppeprocesser, der er designet til at maksimere emergens og selvorganisering ved at tilbyde et minimalt sæt af effektive indledende betingelser. Eksempler på disse processer inkluderer SEED-SCALE, appreciative inquiry, Future Search, world cafe eller knowledge cafe, Open Space Technology og andre. I international udvikling er begreber om emergens blevet anvendt inden for en teori om social forandring kaldet SEED-SCALE for at vise, hvordan standardprincipper interagerer for at fremme socioøkonomisk udvikling tilpasset kulturelle værdier, fællesskabsøkonomi og naturmiljø (lokale løsninger, der opstår fra den større socio-økono-biosfære). Disse principper kan implementeres ved at udnytte en sekvens af standardiserede opgaver, der selvsamles på individuelt specifikke måder ved hjælp af rekursive evalueringskriterier.

Konklusion: Det dynamiske samspil mellem emergens og entropi

Emergens og entropi repræsenterer to fundamentale dynamikker i naturens systemer, hvor emergens ofte leder mod øget orden og kompleksitet, mens entropi driver mod uorden og tilfældighed. Dog er deres forhold ikke kun modstridende, men også komplementært. Mange komplekse systemer - fra biologiske organismer til sociale strukturer - kan ses som værende i en konstant balancegang mellem disse kræfter, hvor emergente egenskaber opstår og vedligeholdes på trods af entropiens generelt stigende tendens. Denne balancegang mellem orden og uorden muliggør udviklingen af stadig mere komplekse systemer og former, hvor lokale områder af lav entropi (orden) kan opstå og vedligeholdes gennem selvorganiserende processer, der drives af energiinput, samtidig med at den samlede entropi i det større system øges. Dette dynamiske samspil mellem emergens og entropi er ikke blot teoretisk interessant, men har praktiske implikationer for vores forståelse af komplekse systemers udvikling, opretholdelse og evolution på tværs af alle videnskabelige discipliner.

Sources:
[1] Kompleksitetsteori: En omfattende forklaring og informativ oversigt ..., https://e-scarf.dk/kompleksitetsteori/
[2] komplekse systemer - Lex, https://lex.dk/komplekse_systemer
[3] Emergence - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Emergence
[4] Hvordan fungerer emergens og hvad kan vi bruge det til?, https://www.mobilizingideas.com/hvordan-emergens-fungerer-og-hvad-virksomheder-kan-bruge-emergens-til/
[5] Emergence - SEBoK, https://sebokwiki.org/wiki/Emergence
[6] What Is Emergence? - John Templeton Foundation, https://www.templeton.org/news/what-is-emergence
[7] Derfor går tiden kun i én retning - Videnskab.dk, https://videnskab.dk/rummet/derfor-gaar-tiden-kun-i-en-retning/
[8] Entropi - Wikipedia, den frie encyklopædi, https://da.wikipedia.org/wiki/Entropi
[9] entropi - Mål for graden af uorden i et system - Lex, https://lex.dk/entropi
[10] entropi - Store norske leksikon, https://snl.no/entropi
[11] Proteinanalyse: Lys idé hjemsøgte forsker i to årtier - Videnskab.dk, https://videnskab.dk/naturvidenskab/proteinanalyse-lys-ide-hjemsoegte-forsker-i-to-aartier/
[12] FY823: Bayesiansk inferens og informationsteori, https://odinlister.sdu.dk/fagbesk/internkode/FY823/da
[13] Emergence and entropy : a critical analysis - ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/283810778_Emergence_and_entropy_a_critical_analysis
[14] A Theory of Emergence and Entropy in Systems of Systems, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050913010740/pdf?md5=f9b525ad0300a6e8094db5c158afe0bf&pid=1-s2.0-S1877050913010740-main.pdf
[15] Self-Organizing Form by Entropy and Emergence - INNOVATION, https://innovation.ctor.press/articles/part-ii-of-theory-of-form-self-organizing-form-by-entropy-and-emergence/
[16] A Theory of Emergence and Entropy in Systems of Systems, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050913010740
[17] [PDF] Entropy and Emergence in Organizations - Journals ISSS, https://journals.isss.org/index.php/proceedings52nd/article/download/469/255
[18] The Cyclical Theory of Entropy, Existence, and Emergence - Reddit, https://www.reddit.com/r/PhilosophyofScience/comments/1jk3lym/the_cyclical_theory_of_entropy_existence_and/
[19] Intelligens og entropi - Ingeniøren, https://ing.dk/holdning/intelligens-og-entropi
[20] Entropi - Wikipedia, https://no.wikipedia.org/wiki/Entropi
[21] Balancing potential energy and entropy: the foundations of ..., https://jphe.amegroups.org/article/view/9769/html
[22] [PDF] Emergence of multiple spontaneous coherent subnetworks ... - bioRxiv, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.09.574845v1.full.pdf
[23] Dynamical system - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamical_system
[24] Managing Complexity Is the Epic Battle Between Emergence and ..., https://hbr.org/2013/11/managing-complexity-is-the-epic-battle-between-emergence-and-entropy
[25] Entropy, Ecology and Evolution: Toward a Unified Philosophy of ..., https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10047248/
[26] Emergence vs Entropy - Medium, https://medium.com/@pruksa/emergence-vs-entropy-32625b9263e3
[27] Emergence of Cosmic Space and the Maximisation of Horizon Entropy, https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4543132
[28] Entropy-based goal-oriented emergence management in self ..., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0951832021000685
[29] Information Entropy-Based Metrics for Measuring Emergences in ..., https://www.researchgate.net/publication/264758077_Information_Entropy-Based_Metrics_for_Measuring_Emergences_in_Artificial_Societies
[30] An entropy-based study on mutational trajectory of SARS-CoV-2 in ..., https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8603812/
[31] Emergence as the conversion of information: a unifying theory, https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2021.0150