全体は部分の総和よりも大きいのはなぜか、考えたことがありますか?

ヤン・ミンジェ

目の前のテーブルにこんなケーキがあったら、きっと食べたくなるでしょう。でも、待ってください、なぜ食べたくなるのでしょうか?お腹が空いてるし、美味しそうだから、と言う人もいるかもしれません。しかし、さらに深く掘り下げていくと、科学者を驚かせる謎に遭遇するでしょう。

過去数千年にわたる科学の進歩により、あらゆるものは細かく分解できることが分かりました。システムを完全に分解すると、理解できるようになります。しかし、ケーキを食べるという単純なことさえ難しいのです。私の行動を制御する思考は脳から来ているに違いありません。そして、脳は個々のニューロンに分解することができます。しかし、すべてのニューロンに質問しても、「ケーキを食べたい」という完全なメッセージを伝えるニューロンは存在しません。一見普通のニューロンが集まって、人間の脳のような複雑で洗練された器官を形成するのです。これが出現です。

出現：なぜ全体は部分の総和よりも大きいのか

この現象は非常によく見られます。毎日ケーキを食べるわけではありませんが、水は必ず毎日飲みます。温度が高いと、各水分子は自由に動き、ねじれます。このとき、この水蒸気の球を見てみると、上から下、左から右のどれを見ても同じで、完全に左右対称であると言えます。温度が下がると、水分子は整列して密な結晶格子を形成し、それが氷になります。このとき、異なる観察角度に切り替えると、異なる方向から見える水分子の配列構造が異なります。対称性が崩れています。この現象は物理学者によって自発的対称性の破れと呼ばれています。

これは出現とどのように関係するのでしょうか?実際、PWアンダーソンという物理学者は、対称性の破れが出現の基礎であると主張しています。 1972年、彼はサイエンス誌に「More is different」という有名な論文を発表しました。この 3 つの短い単語は、シンプルさが究極の真実であるという考えを伝えています。 「多ければ多いほど違う」と訳され、簡単に言えば、数が多ければ違うということです。それで疑問なのは、もっとあるのなら、なぜ違うのかということです。オレンジ 1 個はオレンジですが、オレンジを 2 個合わせると、それは果物ではなくなるのでしょうか?

実際、オレンジがいくつあっても、量的変化が質的変化につながるという魔法のような現象は期待できません。しかし、オレンジをアリに置き換えると、状況は大きく変わります。アリは一匹では極めて愚かですが、群れをなして集まると、自発的にアリのコロニーを形成することができます。彼らは曲がりくねった複雑な蟻塚を築き、分業体制を発達させ、農業や畜産業を発達させます。一部のアリは菌類農場を維持し、一部のアリはアブラムシの牧草地を管理するなどです。では、アリはなぜこのようなことをすると思いますか?あなたのニューロンがケーキの概念を理解しないのと同じように、一匹のアリに尋ねても答えは得られません。しかし、アリの大群がフェロモンを通じて互いにコミュニケーションをとると、全体としては個々の部分の総和よりも大きな効果が得られ、高いレベルの知能を発揮することができます。

オレンジの山とアリの山の違いは、「大きい」ことと「多い」ことが必ずしも出現につながるわけではないことを示しています。実際、どのような条件下で出現が起こるかを確認するには、出現の説明に境界を設定する必要があります。

出現はいつ起こりますか?

【1.スケールを分ける】

まず、異なるスケールの説明を区別する必要があります。たとえば、水が凍って氷になると言うときは、マクロ的な変化を説明していることになります。また、個々の水分子の変化を説明するときは、ミクロなスケールで説明しています。あらゆる物事をスケールに分けることによってこのように説明できますが、特別なことは何もありません。

[2.新たな原因と結果が現れる]

次に、いくつかの特殊なシステムに焦点を当てます。マクロスケールでの結果のいくつかは、対称性が破れているため、説明する理由を見つけるためにミクロレベルにまで縮小することができません。したがって、マクロ的な「効果」を説明するには、マクロ的なスケールで新たな「原因」を見つける必要があります。新しい原因の理由は、私たちがシステム全体を扱っているからです。

たとえば、水の波について言えば、水の波は水分子で構成されていることはわかっていますが、そのような現象をどのように説明しますか? 「水の波は左から右に伝播する」と言うでしょうか、それとも「水分子が上下に振動し、周囲の水分子を振動させ、それによって異なる空間にある水分子間に位相差が生じる」と言うでしょうか?明らかに、水の波を全体として見る方が簡単であり、因果関係がより明白です。今日、さまざまな分野が、関心のある問題を研究するために最も因果関係のある尺度を選択しています。

3. 最も因果関係のある尺度を選択する

スケールの分割、新しい原因と結果の出現、最も強い因果関係の選択という上記の 3 つのステップを組み合わせると、因果関係の出現と呼ばれる理論の原型が得られます。この理論は、2013 年にエリック・ホエルという神経科学者によって提唱され、現在では出現を定義および定量化する主流の理論の 1 つとなっています。出現は現在では現象の説明に近いものになっており、非常に一貫性がないことを指摘しておく必要がある。因果的出現理論は、一般的に受け入れられている理論ではなく、むしろ出現を定量化しようとする方法です。この点に関してはさらに多くの理論がありますが、ここでは詳しく説明しません。

この時点で、私たちは「More is different」というスローガンを叫ぶことができます。なぜなら、全体は実際には部分の合計に等しくないからです。化学者、生物学者、さらには社会学者が研究している事柄は、最も基本的な物理学では説明できません。この創発現象があるからこそ、同じ現実世界を異なるスケールから研究するために多くの学問を派生させる必要があると言えます。

つまり、創発とは、私たちの世界を退屈なものにしない、魔法のような現象なのです。生命の起源から記事の中心となるアイデアの理解まで、柔軟で整然とした鳥の群れからこのビデオの「私」まで、出現を理解することで、世界を見る際にさらなる知恵が得られます。この瞬間にあなたの目の中にある「私」は人ではなく、単なるピクセルの組み合わせであることに注意してください。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 楊明哲

査読者: 張江、北京師範大学システム科学学院教授

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司