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关键要点:涌现现象的深入理解

时间:2023-07-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:霍兰总结了涌现现象的8个要点如下。涌现现象出现在生成系统之中。正是这种变化的关联特点,使得涌现现象很难按一般的先验的方式加以定义和研究。存在差别的稳定性是那些产生了涌现现象的规律的典型结果。特殊模式能够防止普通模式出现错误而对整体造成长期的损害,而普通模式则在那些不会引起特殊模式做出反应的情况下防止蚂蚁个体的“解体”。

关键要点:涌现现象的深入理解

霍兰总结了涌现现象的8个要点如下。

(1)涌现现象出现在生成系统之中。这些系统是由一些种类相对较少并遵循简单规律的基本元素组成的。一般来说,这些元素互相连接起来形成一种排列(西洋跳棋网络、物质空间中的点等),这个排列在转换函数的作用下可以随时间变化。

(2)在这样的生成系统中,整体大于各部分之和。系统各部分间的相互作用是非线性的,所以系统的整体行为无法通过相对独立的各组分行为的简单叠加来得到。换言之,在系统行为中存在一些规则,这些规则是无法通过直接考察各组分所满足的规律来得到的。这些整体行为规则不但可以解释(或部分地解释)系统的行为,而且能够用以说明特定的行为控制方式,例如,在国际象棋中依靠棋子特定的组合,一个策略就能够使棋手持续取胜。

(3)生成系统中有一种典型的涌现现象是组成部分不断改变的稳定模式。涌现现象犹如湍急的溪流不断冲击石块而形成的水柱,其中的水分子不停地更新,而水柱的形状基本不变,但它们与那些由固定成分组成的固态物质,如岩石和建筑物不同。典型的例子还有由棋子形成的棋局,或者一系列神经元的反射等。有机体中也存在一些稳定的模式:在不到两年的时间跨度里,所有组成成分的原子都会更新,而且大部分成分大约一周就会更新一次,而器官整体从外形到功能一般不会发生大的变化。

(4)涌现出来的稳定模式的功能是由其所处的环境决定的。例如,在康韦自动机中,具有不同作用的滑翔机同其他不同模式相互作用时,所表现出的功能也不同。这个例子很简单,定义也很完整。生物系统的多样性提供了一些更复杂的例子。例如,鱼鰓中作为活动连接装置的3块骨头演化到后来,就变成了使爬行类动物能把嘴张得很大的颚,再后来又演化为哺乳类动物内耳中的连接装置。这3块骨头虽然随着时间的流逝保存了下来,但它们所处的地方不同,功能也不同。正是这种变化的关联特点,使得涌现现象很难按一般的先验的方式加以定义和研究。

(5)随着稳定模式的增加,模式间相互作用带来的约束和检验使得系统的功能也在增强。例如,借助DNA代码来加速修正复制过程中局部错误。在蚁群和神经网络中,随个体数量的增长,系统也显示出这种涌现能力。

非线性相互作用及由其他模式决定的环境(有时只有给定模式的副本)作用,都增强了这种能力。特别是随着相互作用者数量的增长,可能发生的相互作用的次数和可能引起的反应的复杂程度也会非常迅速地增长和加深(按阶乘级数增长)。

(6)稳定模式通常满足宏观规律。当宏观规律可以用公式清楚地表达时,对整体模式行为的表述就不必再借助于那些决定组成个体行为的微观规律(发生器和约束)了。相对于组成个体行为的细节而言,宏观规律通常是较为简单的。描述康韦模型系统中滑翔机行为的规律就是一个很清楚的例子。

(7)存在差别的稳定性是那些产生了涌现现象的规律的典型结果。例如,在塞缪尔的跳棋程序中,新的策略(新的权重)是通过修正那些能稳定战胜对手的策略的权重得到的。在神经网络中,稳定的反射模式能够转变成具有更复杂行为的组成元素——赫布的细胞组合。另外,在达尔文的生物进化论中,能够产生新变异的,也正是那些持续时间长到足以积累足够多的资源来复制自己的模式。(www.xing528.com)

存在差别的稳定性具有不同的表现形式。有些模式只在没有遇到其他模式时存在,有些模式存在于相互作用中,并逐渐分解或者转化为其他模式,还有一些稳定模式只同极少的其他模式发生相互作用,并在所有其他环境中仅仅保持它们的形式不变。

存在差别的稳定性对生成过程可以有很强烈的影响。那些在多种相互作用中都存在的稳定模式很可能在生成过程的早期起着关键性的作用。这样,许多可能的组合都可以尝试,就可以提高发现更复杂的稳定模式的可能性。这些普通模式也为那些相互作用范围有限的特殊模式提供了发挥作用的空间。某些情况下,特殊模式可以通过某种共生的方式同普通模式结合在一起,从而使普通模式在相互作用中不会解体。

一个默认层次形成过程的图像说明了这样的相互作用,如图5.6所示。考虑像蚂蚁这样的简单有机体,我们假定一条普遍的规则:无论何时,蚂蚁察觉到任何移动的物体都会逃走。绝大多数情况下,蚂蚁都严格遵循这样的规则,因为周围环境中多数运动着的较大的物体都可能使它“解体”,这样的物体对它而言都是危险的。这条规则经常被验证,常使蚂蚁能够避免受到伤害并且从不遭受直接的损失。即使不应该避开时,它也会这样做。同时,这个规则也排除了蚂蚁同其他运动中的蚂蚁直接接触的机会,就长期而言,这是有害的。那么,肯定有另外更特殊的规则存在,使它能够对规则进行修正:如果运动的物体很小并发出了友善的“信号”,那么就接近它。无论何时,当产生更为特殊的条件时,总是这个特殊的模式在起作用,那么一种共生的关系就出现了。特殊模式能够防止普通模式出现错误而对整体造成长期的损害,而普通模式则在那些不会引起特殊模式做出反应的情况下防止蚂蚁个体的“解体”。

图5.6 一个默认的层次

对于稳定性,普通模式比特殊模式更容易得到验证,因为多数情况下,我们都会发现普通模式的痕迹,而在同样的时间内,只能发现少量特殊模式的痕迹。结果是,普通模式为特殊模式提供了一个相对稳定的小空间,这使得它们之间可以相互作用。那些较难被验证的特殊模式在“开放”的环境中更容易解体。此外,如何选取观察系统的时空尺度,往往也决定了涌现的宏观规律和分层生成过程。

(8)更高层的生成过程可以由稳定性的强化来产生。相互支持作用,例如,共生现象与艾根(Manfred Eigen)和文克勒(Ruthild Winkler)于1981年提出的生命周期延长问题,常常会给组成部分的模式带来稳定性的强化。当这些具有强化稳定性的模式满足宏观规律时,新的生成过程就会取代原来的生成过程。

这样的生成过程仍然遵循潜在的生成过程的规律,但它所产生的模式绝对不可能通过对原来生成过程的先期考察来得到。更高层次的生成过程被强化后的稳定性极度放大,最终完全“代替”了基础的生成过程。

达尔文关于哺乳动物眼睛的起源问题的论述,就是一个引起高层次生成过程的典型例子。这样的生成过程使以前那些基本元素不可能存在的模式成为可能。达尔文关于眼睛形成过程的论断,根据受限生成过程之间的迭代关系是很容易得到验证的。就原子通过相互作用形成分子的生成过程而言,这些确实是不可能的事情,一旦一个更高层的生成过程形成时,涌现现象几乎是必然会出现的。将极不可能转化为可能,是具有涌现现象的系统的一种重要特征。当系统运行的时间无限长时,即使是很少出现的最简单的稳定模式在生成过程中也会发生,而且一旦发生就肯定会持续下去,并同其他模式(其他的复制或变异)相结合,从而出现更大、具有更强稳定性和能力的模式。

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