Эмердже́нтность или эмерге́нтность (англиц. от «возникающий, неожиданно появляющийся») в теории систем — наличие у системы свойств, не присущих её компонентам по отдельности; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов.

Аналогичными понятиями в теории систем и других областях знаний являются синергичность, холизм, системный эффект, сверхаддитивный эффект, некомпозициональность, .

Материаловедение

Феномен композитных материалов — в некоторых составных системах взаимодействие компонентов приводит к тому, что у конечного материала количественный показатель хотя бы одного свойства (например, электропроводности, прочности на разрыв и проч.) не является простой суммой соответствующих показателей составных компонентов. Например, улучшение прочностных характеристик углеволоконного композита со смолами-отвердителями по сравнению с индивидуальным углеволокном.

Эмерджентность в природе

Эмерджентные структуры можно обнаружить во многих природных явлениях, от физических до биологических. Например, погодные явления, такие как ураганы, — это эмерджентные структуры. Развитие и рост сложных упорядоченных кристаллов, происходящие вследствие случайного движения молекул воды в благоприятной природной среде, является ещё одним примером эмерджентного процесса, где случайность может привести к возникновению сложных и очень интересных упорядоченных структур.

Кристаллы воды, образующиеся на стекле, демонстрируют эмерджентный, фрактальный процесс, происходящий при соответствующих температурных условиях и влажности. Однако кристаллические структуры и ураганы проходят период самоорганизации.

Важно различать три формы эмерджентных структур. Эмерджентная структура первого порядка возникает в результате взаимодействия форм (например, водородные связи в молекулах воды приводят к поверхностному натяжению). Эмерджентная структура второго порядка включает в себя взаимодействие форм, последовательно воспроизводимое во времени (например, изменение атмосферных условий, когда снежинка падает на землю и изменяет свою форму). Наконец, эмерджентная структура третьего порядка является следствием формы, времени и наследуемых инструкций. Например, генетический код организма влияет на форму систем организма в пространстве и времени.

Биология

Синергетические эффекты различного рода играли важную роль в эволюционном процессе вообще и в эволюции сотрудничества и сложности в частности. Естественный отбор часто изображается как «механизм» или персонифицируется как причинный фактор. В действительности дифференциальный «отбор» признака, или адаптация, является следствием функциональных эффектов, которые он производит по отношению к выживанию и репродуктивному успеху данного организма в данной среде. Именно эти функциональные эффекты в конечном счете ответственны за преемственность поколений и изменения в природе.

В эволюционных процессах причинность является итеративной; следствия также являются причинами. И это в равной степени относится к синергетическим эффектам, производимым эмерджентными системами. Другими словами, сама эмерджентность является основной причиной эволюции эмерджентных явлений в биологической эволюции; именно Синергия, производимая организованными системами, является ключом к пониманию этогоCorning, Peter (2002), «The Re-Emergence of „Emergence“: A Venerable Concept in Search of a Theory», Complexity, 7 (6): 18-30,.

Роение — хорошо известное поведение многих видов животных, от саранчовых до стайных рыб и стайных птиц. Эмерджентные структуры — это общая стратегия, присущая многим группам животных: колониям муравьев, термитникам, роям пчел, косякам рыб, стаям птиц и стадам/стаям млекопитающих.

В муравьиной колонии королева не отдает прямых приказов и не говорит муравьям, что делать. Вместо этого каждый муравей реагирует на раздражители в виде запаха от личинок, других муравьев, незваных гостей, пищи и скопления отходов и оставляет за собой химический след, который, в свою очередь, дает стимул другим муравьям. Здесь каждый муравей представляет собой автономную единицу, которая реагирует в зависимости только от своей локальной среды и генетически закодированных правил для своей разновидности муравьев. Несмотря на отсутствие централизованного принятия решений, колонии муравьев демонстрируют сложное поведение и даже продемонстрировали способность решать геометрические задачи. Например, колонии обычно находят максимальное расстояние от всех входов в колонию, чтобы избавиться от мертвых телSteven Johnson. 2001. Emergence: The Connected Lives of Ants, Brains, Cities, and Software. New York, NY. ISBN 0-684-86875-X..

Организация жизни Более широкий пример эмерджентных свойств в биологии рассматривается в биологической организации жизни, начиная от субатомного уровня до уровня всей биосферы. Например, отдельные атомы могут быть объединены в молекулы, такие как полипептидные цепи, которые складываются и складываются, образуя белки, которые, в свою очередь, создают ещё более сложные структуры. Эти белки, принимая свой функциональный статус из их пространственной конформации, взаимодействуют друг с другом и с другими молекулами для достижения более высоких биологических функций и в конечном итоге создают организм. Другой пример — это то, как каскадные фенотипические реакции, подробно описанные в теории хаоса, возникают из отдельных генов, мутирующих в соответствующем положенииCampbell, Neil, and Jane B. Reece. Biology. 6th ed. San Francisco: Benjamin Cummings, 2002.. На самом высоком уровне все биологические сообщества в мире образуют биосферу, где её человеческие участники формируют общества и сложные взаимодействия социальных систем, таких как коллективный интеллект.

Неживые физические системы В физике эмерджентность используется для описания свойства, закона или явления, которое происходит в макроскопических масштабах (в пространстве или времени), но не в микроскопических, несмотря на то, что макроскопическую систему можно рассматривать как очень большой ансамбль микроскопических системAnderson, Philip W. (2018-03-09). Basic Notions Of Condensed Matter Physics. CRC Press.. Эмерджентное свойство не обязательно должно быть более сложным, чем лежащие в его основе неэмерджентные свойства, которые его порождают. Например, законы термодинамики удивительно просты, даже если законы, управляющие взаимодействиями между составляющими частицами, сложны. Таким образом, термин «эмерджентность» в физике используется не для обозначения сложности, а скорее для того, чтобы различать, какие законы и понятия применимы к макроскопическим масштабам, а какие — к микроскопическимGirvin, Steven M.; Yang, Kun (2019-02-28). Modern Condensed Matter Physics. Cambridge University Press..

Однако другой, возможно, более широко применимый способ понимания эмерджентного разделения действительно включает в себя долю сложности, поскольку численная возможность перехода от микроскопического к макроскопическому свойству говорит о «силе» эмерджентности. Это лучше понять, учитывая следующее определение из физики:

«Эмерджентное поведение физической системы — это качественное свойство, которое может иметь место только в том пределе, когда число микроскопических составляющих стремится к бесконечностиKivelson, Sophia; Kivelson, Steve (2016). „Defining Emergence in Physics “. NPJ Quantum Materials. Nature Research.1.». Но поскольку в реальном мире на самом деле нет бесконечных систем, не существует очевидного естественного понятия о жестком разделении между свойствами составляющих системы и свойствами эмерджентного целого. Считается, что классическая механика зарождается из квантовой механики, в принципе квантовая динамика полностью описывает все происходящее на классическом уровне. Однако для описания движения падающего яблока в терминах расположения его электронов потребовался бы компьютер размером больше, чем размер Вселенной, с большим временем для вычислений, чем время жизни Вселенной. Таким образом, можно считать это «сильным» эмерджентным разделением.

Примеры эмерджентности в физических системах:

Законы классической механики возникают как предельный случай из правил квантовой механики, применяемых к достаточно большим массам. Это особенно странно, поскольку квантовая механика обычно считается более сложной, чем классическая механика. Силы трения возникают при рассмотрении более сложных, чем элементарные частицы, структур материи, поверхности которых могут преобразовывать механическую энергию в тепловую при трении друг о друга. Аналогичные соображения применимы и к другим эмерджентным понятиям в механике сплошных сред, таким как вязкость, упругость, прочность при растяжении и т. д. Узорчатый грунт: отчетливые и часто симметричные геометрические формы, образованные грунтовым материалом в перигляциальных областях. Электрические сети: объемный проводящий отклик бинарных электрических сетей со случайными расположениями, известный как универсальный диэлектрический отклик, можно рассматривать как эмерджентное свойство таких физических систем. Такие механизмы могут быть использованы в качестве простых физических прототипов для получения математических формул для эмерджентных реакций сложных системAlmond, D.P.; Budd, C.J.; Freitag, M.A.; Hunt, G.W.; McCullen, N.J.; Smith, N.D. (2013). «The origin of power-law emergent scaling in large binary networks». Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications. 392 (4): 1004—1027.. Погода Температура иногда используется в качестве примера эмерджентного макроскопического поведения. В классической динамике моментального снимка мгновенных импульсов большого числа частиц, находящихся в равновесии, достаточно, чтобы найти среднюю кинетическую энергию на степень свободы, пропорциональную температуре. Для небольшого числа частиц мгновенных импульсов в данный момент времени статистически недостаточно для определения температуры системы. Однако с помощью эргодической гипотезы, температура может быть найдена с произвольной точностью путем дальнейшего усреднения импульсов за достаточно долгое время.

Конвекция в жидкости или газе — ещё один пример эмерджентного макроскопического поведения, которое имеет смысл только при рассмотрении перепадов температур. Конвекционные ячейки, в частности ячейки Бенара, являются примером самоорганизующейся системы, или диссипативной системы, структура которой определяется как ограничениями системы, так и случайными возмущениями: возможные реализации формы и размера ячеек зависят от градиента температуры, а также от природы жидкости и формы контейнера, но какие конфигурации фактически реализуются, обусловлено случайными возмущениями. Таким образом, эти системы демонстрируют нарушение симметрии.

Согласно Лафлину, для многих систем частиц ничто не может быть точно вычислено из микроскопических уравнений, а макроскопические системы характеризуются нарушенной симметрией: симметрия, присутствующая в микроскопических уравнениях, отсутствует в макроскопической системе из-за фазовых переходовLaughlin, Robert (2005), A Different Universe: Reinventing Physics from the Bottom Down, Basic Books, ISBN 978-0-465-03828-2.. В результате эти макроскопические системы описываются в собственной терминологии и обладают свойствами, не зависящими от многих микроскопических деталей. Это не означает, что микроскопические взаимодействия не имеют значения, но просто вы их больше не видите — вы видите только перенормированный эффект от них. Лафлин ставит прагматичный вопрос: если вы, возможно, никогда не сможете вычислить макроскопические свойства нарушенной симметрии из микроскопических уравнений, то какой смысл говорить о сводимости?

Физика конденсированного состояния