IX Krakowska Konferencja Metodologiczna: Struktura i emergencja

Witold Strawiński
Instytut Filozofii, Uniwersytet Warszawski

Kiedy dochodzi w układach fizycznych do emergencji własności oraz struktur leżących u podłoża tych własności?

STRESZCZENIE (referatu)

Warunkiem koniecznym możliwości udzielenia odpowiedzi na to pytanie jest ustalenie, w jakim znaczeniu posługiwać się będziemy terminem emergencja i do czego będziemy ten termin odnosić. Najczęściej jest on odnoszony do specyficznych własności lub sposobów funkcjonowania złożonych układów (np. związanych z życiem lub świadomością), własności i funkcji niespotykanych dla układów prostszych, należących np. do niższych lub wcześniejszych poziomów hierarchii organizacji tworów przyrody. Nie wyklucza to jednak pytania o warunki pojawiania się wewnętrznej lub też zewnętrznej struktury układów, leżącej u podłoża pojawiania się emergentnych własności i funkcji.

Struktura wewnętrzna (mikrostruktura) obiektu złożonego to - w pierwszym przybliżeniu - skład i układ części składowych, tzn. składniki, ich własności i relacje, wzajemne zależności i powiązania między nimi. Rodzaj mikrostruktury, zwłaszcza charakter wzajemnych związków miedzy składnikami, może w rozmaity sposób warunkować własności i sposób funkcjonowania złożonej całości. Prostsze i uboższe rodzaje struktur - możemy je nazywać agregatywnymi lub kumulatywnymi ze względu na brane pod uwagę cechy - prowadzą w najprostszym przypadku np. do addytywnej zależności wielkości fizycznych przysługujących całości i częściom. Wzorem takiej w pewnym zakresie addytywnej wielkości jest masa, z wyłączeniem przypadków tzw. defektu masy. Bardziej skomplikowane struktury, to struktury emergencyjne lub fulguratywne (K. Lorenz), których powstanie sprawia, że własności całości mogą ujawnić zasadniczo nową, skomplikowaną (niemożliwą albo trudną do przewidzenia) zależność od własności - części, lub pojawić się może niespodziewany sposób funkcjonowania całości.

Dysponujemy obecnie wieloma wynikami prób charakteryzowania emergencji [1], niektóre z nich wypada uznać już za klasyczne (J. S. Mill, C. Lloyd Morgan, C. D. Broad), inne - bardziej współczesne bywają nadal przedmiotem kontrowersji (np. K. Popper, M. Bunge, J. Kim). Poszukując charakterystyki pojęcia emergencji, przydatnej - do analizy kwestii możliwego sformułowania ewentualnych warunków emergencji struktur złożonych, będę chciał poddać krytyce koncepcje Poppera i Bungego [2], a jednocześnie podkreślić zalety podejścia W. Wimsatta [3]. Wimsatt przeciwstawia emergentnym własnościom systemowym własności agregatywne; odróżnienie to odwołuje się do sposobu reakcji systemu na: (1) zamianę lub permutację części składowych, (2) dodanie lub odjęcie składników, (3) rozłożenie na części składowe i ponowne złożenie; zwraca on też uwagę na (4) liniowość czyli nieobecność wzmacniających lub wytłumiających oddziaływań (sprzężeń) miedzy składnikami. Ponadto autor ten nie przeciwstawia sobie redukowalności i emergencji, przyjmując, że "[...] własność emergentna to - z grubsza - własność systemowa, która jest zależna od sposobu organizacji [czyli struktury] części systemu"; wskazuje on, że zdarza się to dosyć powszechnie i jest zgodne z redukcjonizmem.

Kwestię adekwatności doboru takiego czy innego określenia emergencji w celu zbadania warunków, które powinny zaistnieć, aby możliwa była emergencja lub fulguracja zasadniczo nowych własności, struktur i funkcji, będę starał się przedyskutować, powołując się na wybrane (możliwie proste) przypadki wzorcowe i podejmując próbę przynajmniej zarysowania pewnej typologii. Posłużyć się tu można np. zjawiskami badanymi przez poszczególne działy fizyki. Stosunkowo łatwo o przykłady prostych zjawisk mechanicznych (klasycznych), w których pomimo ich prostoty znaleźć można aspekty emergencyjne. Np. grawitacyjne wychwycenie jednego ciała przez drugie, przy początkowym ruchu zbliżającym po trajektorii otwartej, możliwe jest tylko po wystąpieniu jakiegoś czynnika zaburzającego ten stan pierwotny - tym czynnikiem może być rozpad jednego z ciał na mniejsze kawałki, wśród których pewne fragmenty znaleźć się mogą na orbitach zamkniętych. Jest to zjawisko reprezentujące zmianę struktury po ingerencji jakiegoś, przypadkowego czynnika zewnętrznego lub nawet wewnętrznego, zaczynającego oddziaływać w pewnej określonej chwili. W układach mechanicznych wszelka tego typu ingerencja, modyfikująca przyszłe stany układu poprzez zmianę warunków początkowych lub brzegowych, może zostać uznana za wpływ emergentny, zmieniający - w większym lub w mniejszym stopniu - strukturę układu, np. poprzez konieczność uwzględnienia nowego składnika. Pomimo tego, że w zmodyfikowanym układzie nadal obowiązują te same prawidłowości, to dualizm praw i warunków sprawia, że pojawia się aspekt emergencyjny. Taka słaba mechaniczna emergencja drogą modyfikacji warunków przez czynnik zewnętrzny lub przypadkowy ma oczywiście względny charakter, bowiem gdy uwzględnimy odpowiednio całe otoczenie naszego układu, zostaje ona w zasadzie wyeliminowana.

Inny prosty przykład, tym razem z optyki, pod wieloma względami podobny do poprzedniego, to załamanie i rozszczepienie promienia światła białego przez pryzmat szklany. Na granicy ośrodków zmieniają się warunki propagacji promienia (gęstość optyczna) a w wyniku tego pojawia się nowa struktura, powstaje rozbieżna wiązka różnobarwnych promieni, tworząca na ekranie charakterystyczne widmo. Kolejne przykłady, które chcę przeanalizować w porządku wzrastającej złożoności, to m. in. (przytoczony przez K. Lorenza jako przypadek fulguracji) obwód elektryczny, zawierający połączone szeregowo kondensator i cewkę indukcyjną, w którym po zamknięciu obwodu dochodzi do oscylacji napięcia (stopniowo zanikających), oraz odpowiednio wyhodowany i domieszkowany kryształ półprzewodnika, w którym powstaje nowa struktura pasm energetycznych, z pasmem przewodnictwa oddzielonym wzbronioną przerwą energetyczną od pasma podstawowego, gdzie pojawiają się dodatkowe, związane z domieszkami poziomy energetyczne.

Te i inne przykłady przedstawiają materiał pozwalający, mam nadzieję, na przynajmniej wstępne określenie niektórych warunków emergencji struktur w układach fizycznych. Pełniejsza realizacja takiego zamierzenia może być dosyć trudna, co podkreśla M. Bunge, pisząc: "Adekwatne i ogólne zdefiniowanie warunków emergencji to cel zwodniczy, jeśli nie całkiem niemożliwy do realizacji, biorąc pod uwagę ogromną różnorodność mechanizmów emergencji" [4]. Pewne warunki są jednak chyba możliwe do uchwycenia, a niektóre można znaleźć u samego Bungego. Na przykład: (1) wyjściowa struktura powinna być na tyle luźna a jej elementy na tyle słabo związane, aby dopuszczać wymianę lub przemianę tych elementów, (2) otoczenie, w jakim pojawia się obiekt lub proces, w którym tworzy się struktura emergentna, nie może jej destabilizować (niszczyć), (3) relacje miedzy elementami winny stanowić rzeczywiste, względnie trwałe powiązania między nimi (np. dostatecznie silne oddziaływania lub wystarczająco głęboki dół potencjału). Sądzę, że listę takich warunków można dalej rozszerzać a znajdujące się na niej punkty mogą uzyskiwać coraz bardziej precyzyjne sformułowania.

Zamiast formułowania wniosków końcowych - co byłoby bodajże przedwczesne, chociażby ze względu na szeroki zasięg postawionego w tytule pytania - chciałbym wyrazić nadzieję, że w końcowej postaci referat niniejszy uzyska, choćby do pewnego stopnia, kształt emergentny, co znaczy, między innymi, że w pełni ujawni się w nim emergentna struktura, tworząca wyraźne związki pomiędzy jego poszczególnymi częściami.

[1] Pisałem o tym w następujących pracach: W. Strawiński, Jedność nauki, redukcja, emergencja. Z metodologicznych i ontologicznych problemów integracji wiedzy, Warszawa 1997, Aletheia, rozdz.8; tenże, "Krótko o redukcjonizmie", Przegląd Filozoficzny, r. 8 (1999) nr 3, s. 31-37; tenże, "Brytyjski emergentyzm", Przegląd Filozoficzny, r. 11 (2002) nr 1, s. 133-142; tenże, "Popper a emergencja", Filozofia nauki, r.11 (2003) nr 2, s. 109-115.

[2] Przedstawione m. in. w: K. Popper, "Scientific Reduction and the Essential Incompleteness of All Science", [w:] F. J. Ayala i T. Dobzhansky (red.), Studies in the Philosophy of Biology. Reduction and Related Problems, London 1974, Macmillan, s. 259-284; K. Popper i J. Eccles, The Self and Its Brain, Berlin 1977, Springer; M. Bunge, Emergence and Convergence: Qualitative Novelty and the Unity of Knowledge. Toronto 2003, University of Toronto Press.

[3] Por. np.: W. Wimsatt, "Aggregativity: Reductive Heuristics for Finding Emergence", w: L. Darden (red.), PSA 1996. Proceedings of the Biennial Meetings of the Philosophy of Science Association. Part II. Symposia Papers, Supplement to Philosophy of Science, vol. 64 (1997), nr 4, s. 372-384.

[4] Poz. cyt., s. 22.