Hiện tượng nổi lên và cách hình thành từ tương tác hệ thống

Vì vậy, để giải thích một hiện tượng nổi lên, chỉ biết đặc tính của từng phần thường chưa đủ. Cần biết cả quy tắc tương tác, điều kiện môi trường, phản hồi giữa các phần và cấp độ quan sát. Cùng những thành phần cơ bản nhưng tổ chức theo quan hệ khác nhau có thể tạo ra hành vi vĩ mô rất khác nhau.

Hiện tượng nổi lên là đặc tính của toàn hệ thống, không phải của từng thành phần

Một đặc tính được gọi là nổi lên khi nó có thể được mô tả có ý nghĩa ở cấp độ tập thể nhưng không thể gán trực tiếp cho một thành phần riêng lẻ theo cùng nghĩa.

Nhiệt độ là một ví dụ điển hình. Một phân tử riêng lẻ có vận tốc và động năng, nhưng không có “nhiệt độ của một phân tử” theo nghĩa nhiệt động lực học thông thường. Nhiệt độ trở thành đại lượng có ý nghĩa khi xét một tập hợp rất lớn các hạt và phân bố năng lượng của chúng. Thuộc tính vĩ mô vì thế hình thành từ trạng thái tập thể chứ không phải do một hạt nào mang sẵn thuộc tính đó.

Điều tương tự xuất hiện trong nhiều hệ thống khác. Một con chim không tạo thành đàn, một chiếc xe không tạo ra ùn tắc và một con kiến đơn lẻ không có cấu trúc tổ chức của cả đàn kiến. Những mô hình này chỉ xuất hiện khi có nhiều đơn vị cùng tham gia vào một mạng lưới tương tác.

Điều đó không có nghĩa thuộc tính nổi lên độc lập với các thành phần. Ngược lại, nó phụ thuộc hoàn toàn vào chúng, nhưng phụ thuộc cả vào quan hệ giữa chúng. Nếu thành phần giữ nguyên mà cấu trúc tương tác thay đổi, kết quả ở cấp hệ thống cũng có thể thay đổi.

Từ quy tắc cục bộ đến mô hình vĩ mô diễn ra như thế nào?

Cơ chế cốt lõi của hiện tượng nổi lên là sự chuyển từ tương tác cục bộ sang trật tự hoặc hành vi tập thể.

Mỗi thành phần thường chỉ phản ứng với một phần rất nhỏ của hệ thống. Một con chim có thể điều chỉnh hướng bay theo những con gần nó; một con kiến phản ứng với dấu vết hóa học trong khu vực xung quanh; một tài xế giảm tốc khi xe phía trước chậm lại. Không thành phần nào cần biết trạng thái hoàn chỉnh của toàn hệ thống.

Tuy nhiên, tác động của một tương tác không nhất thiết dừng lại tại hai thành phần. Nó có thể làm thay đổi trạng thái của một thành phần khác, rồi thay đổi đó tiếp tục truyền sang các thành phần kế tiếp. Khi quá trình diễn ra đồng thời trên một số lượng lớn đơn vị, những thay đổi nhỏ ở cấp cục bộ có thể liên kết thành một cấu trúc vĩ mô.

Một đàn chim là ví dụ trực quan. Nếu mỗi cá thể liên tục điều chỉnh vận tốc để tránh va chạm, giữ khoảng cách và có xu hướng chuyển động cùng các cá thể lân cận, toàn đàn có thể hình thành chuyển động phối hợp. Không con chim nào đóng vai trò thiết kế hình dạng tổng thể của đàn. Mô hình chung được tạo ra bởi việc nhiều cá thể liên tục thực hiện những điều chỉnh cục bộ.

Do đó, chuỗi hình thành cơ bản có thể hiểu là:

Quy tắc của thành phần → tương tác lặp lại → ảnh hưởng lan truyền → cấu trúc tập thể → thuộc tính vĩ mô

Đặc tính nổi lên nằm ở cuối chuỗi này nhưng được tạo nên bởi toàn bộ động lực tương tác phía trước.

Những điều kiện nào khiến đặc tính mới có thể xuất hiện?

Không phải cứ đặt nhiều thành phần cạnh nhau là sẽ xuất hiện hiện tượng nổi lên. Số lượng chỉ tạo điều kiện cho tương tác; chính cấu trúc động lực của hệ thống mới quyết định kết quả.

Một yếu tố quan trọng là sự phụ thuộc lẫn nhau. Nếu mỗi thành phần hoạt động hoàn toàn độc lập và trạng thái của nó không ảnh hưởng đến thành phần khác, khả năng hình thành một mô hình tập thể phức tạp bị hạn chế. Khi đầu ra của phần này trở thành điều kiện tác động lên phần khác, hệ thống bắt đầu có khả năng tạo động lực chung.

Phản hồi làm quá trình đó mạnh hơn. Phản hồi dương có thể khuếch đại một biến đổi ban đầu, trong khi phản hồi âm có thể kìm hãm biến đổi và ổn định hệ thống. Ở đàn kiến tìm thức ăn, chẳng hạn, tuyến đường có nhiều kiến đi qua có thể nhận thêm dấu vết hóa học, khiến nhiều cá thể khác lựa chọn cùng tuyến đường. Hành vi của cả đàn vì thế được củng cố dù từng con kiến chỉ phản ứng với tín hiệu gần nó.

Tính phi tuyến cũng đặc biệt quan trọng. Trong một hệ tuyến tính đơn giản, tăng tác động lên hai lần thường tạo kết quả tỷ lệ tương ứng. Trong hệ phi tuyến, một thay đổi nhỏ có thể gần như không gây tác động ở một điều kiện nhưng tạo biến đổi rất lớn khi hệ thống tiến gần một ngưỡng nhất định. Vì thế, hành vi của tổng thể không nhất thiết bằng phép cộng đơn giản hành vi của từng phần.

Cuối cùng là ràng buộc và môi trường. Không gian, tài nguyên, mật độ, cách các thành phần kết nối và tốc độ phản ứng đều ảnh hưởng đến kiểu mô hình có thể hình thành. Hiện tượng nổi lên vì vậy không phải kết quả tất yếu của một tập hợp thành phần; nó chỉ xuất hiện dưới những cấu hình tương tác và điều kiện phù hợp.

Các ví dụ cho thấy cùng một nguyên lý xuất hiện ở nhiều loại hệ thống

Trong vật lý thống kê, các đại lượng như nhiệt độ và áp suất mô tả trạng thái tập thể của số lượng rất lớn hạt. Kiến thức về một hạt riêng lẻ không đủ để mang lại những đại lượng vĩ mô này; chúng được xác định thông qua phân bố và tương tác của quần thể hạt.

Trong sinh học tập thể, đàn chim, đàn cá hoặc côn trùng xã hội có thể tạo ra các cấu trúc phối hợp mà không cần một bộ điều khiển trung tâm chỉ huy từng cá thể. Những quy tắc phản ứng đơn giản ở cấp cá thể có thể sinh ra chuyển động đồng bộ, phân công hoặc lựa chọn đường đi ở cấp nhóm.

Giao thông cung cấp một ví dụ khác. Một vụ ùn tắc có thể hình thành ngay cả khi không có tai nạn hay vật cản cố định. Khi một tài xế giảm tốc, xe phía sau phản ứng chậm hơn hoặc giảm tốc mạnh hơn một chút. Hiệu ứng có thể lan ngược dọc dòng xe và hình thành một vùng xe chạy chậm tồn tại như một cấu trúc động. Không chiếc xe riêng lẻ nào sở hữu đặc tính “ùn tắc”; trạng thái đó thuộc về dòng giao thông.

Các mô hình tính toán cũng chứng minh rằng cấu trúc phức tạp không nhất thiết cần quy tắc phức tạp ở cấp thành phần. Trong những hệ gồm nhiều đơn vị tuân theo một số quy tắc cục bộ đơn giản, việc lặp các quy tắc qua thời gian có thể tạo ra cấu trúc ổn định, dao động hoặc lan truyền trên quy mô lớn.

Điểm chung của các ví dụ không phải chúng có cùng vật liệu hay cùng mục đích. Điểm chung là hành vi vĩ mô được quyết định bởi tổ chức của tương tác, chứ không thể tìm thấy nguyên vẹn trong một đơn vị riêng biệt.

Vì sao biết tất cả thành phần vẫn có thể chưa đủ để dự đoán toàn hệ thống?

Nếu biết một hệ thống được tạo từ những gì, ta mới biết thành phần cấu tạo. Để dự đoán hành vi của nó còn cần biết các thành phần kết nối và tác động lên nhau như thế nào.

Đây là khác biệt giữa thành phần và tổ chức. Hai hệ có thể sử dụng cùng loại đơn vị nhưng tạo kết quả khác nhau nếu mạng liên kết, quy tắc phản hồi hoặc điều kiện ban đầu khác nhau. Vì vậy, việc phân tích riêng từng đơn vị có thể cho biết khả năng của chúng nhưng không tự động cho biết cấu trúc tập thể cuối cùng.

Quy mô còn tạo ra một vấn đề khác. Một hệ gồm rất nhiều thành phần có thể chứa số lượng quan hệ lớn đến mức việc theo dõi từng tương tác không còn là cách mô tả hữu ích nhất. Khi đó, các đại lượng vĩ mô như mật độ, nhiệt độ, tốc độ dòng hoặc phân bố trở thành cấp mô tả thích hợp hơn.

Điều này không phủ nhận khả năng giải thích hệ thống từ các thành phần cơ bản. Nó chỉ cho thấy rằng cấp độ tổ chức cũng chứa thông tin cần thiết. Biết đặc tính của từng phần trả lời câu hỏi “các đơn vị có thể làm gì”; biết quy tắc tương tác mới giúp trả lời “toàn hệ thống sẽ làm gì”.

Đó cũng là ý nghĩa của lập luận nổi tiếng “More is Different” của nhà vật lý Philip W. Anderson: khi số lượng thành phần và cách tổ chức tăng lên, việc hiểu các quy luật ở cấp thấp không tự động thay thế nhu cầu nghiên cứu các cấu trúc và quy luật hữu hiệu xuất hiện ở cấp cao hơn.

Hiện tượng nổi lên không đồng nghĩa với phép màu hoặc nguyên nhân không thể giải thích

Cụm từ “một đặc tính không có ở từng thành phần” dễ dẫn đến hiểu lầm rằng hệ thống đã tạo ra thứ gì đó không có nguyên nhân. Đây không phải ý nghĩa cần thiết của hiện tượng nổi lên.

Thuộc tính vĩ mô vẫn phụ thuộc vào trạng thái và tương tác của các thành phần. Nếu thay đổi các quy tắc tương tác đủ mạnh, thuộc tính đó có thể thay đổi hoặc biến mất. Đàn chim không còn giữ cấu trúc cũ nếu cá thể ngừng phản ứng với hàng xóm; trạng thái giao thông thay đổi khi mật độ và cách tài xế phản ứng thay đổi.

Điều “mới” ở đây chủ yếu nằm ở cấp mô tả và cấu trúc tổ chức. Một phân tử không có nhiệt độ theo nghĩa của một khối vật chất, nhưng chuyển động của rất nhiều phân tử tạo ra phân bố năng lượng cho phép nhiệt độ trở thành đại lượng vĩ mô có ý nghĩa. Không có sự phá vỡ quan hệ nhân quả giữa cấp vi mô và cấp vĩ mô.

Cũng không nên coi mọi thuộc tính của một tập hợp là hiện tượng nổi lên theo nghĩa mạnh. Nếu một thuộc tính chỉ là tổng trực tiếp của các phần và không phụ thuộc đáng kể vào tương tác hoặc tổ chức, việc gọi nó là nổi lên có ít giá trị giải thích hơn. Điểm đáng chú ý của emergence là sự xuất hiện của mô hình, quan hệ hoặc hành vi tập thể mà phép mô tả từng phần riêng lẻ không thể hiện đầy đủ.

Cách nhận biết một hiện tượng có phải được hình thành từ tương tác hệ thống

Có thể phân tích một hiện tượng nổi lên bằng cách chuyển câu hỏi từ “thành phần nào tạo ra đặc tính này?” sang “đặc tính này xuất hiện từ những quan hệ nào giữa các thành phần?”.

Trước hết, cần xác định cấp độ của đặc tính đang quan sát. Nếu đặc tính chỉ có ý nghĩa đối với nhóm, mạng hoặc quần thể nhưng không thể gán tương đương cho một đơn vị riêng, đó là tín hiệu đầu tiên của một thuộc tính nổi lên.

Tiếp theo là tìm quy tắc tương tác. Thành phần phản ứng với ai, với tín hiệu nào và theo điều kiện nào? Sau đó cần kiểm tra xem những tương tác đó có tạo phản hồi, lan truyền ảnh hưởng hoặc phụ thuộc phi tuyến hay không.

Cuối cùng, có thể thử thay đổi cấu trúc tương tác trong mô hình hoặc quan sát thực nghiệm. Nếu giữ các thành phần tương đối giống nhau nhưng thay cách chúng kết nối hoặc phản ứng với nhau khiến mô hình vĩ mô biến đổi, điều đó cho thấy tổ chức của hệ thống đóng vai trò nhân quả quan trọng.

Vì vậy, khi nghiên cứu một hiện tượng nổi lên, đơn vị phân tích không nên chỉ là “các phần”. Ba yếu tố cần được xem xét cùng nhau là thành phần, quy tắc tương tác và điều kiện hệ thống. Chính tổ hợp này quyết định kiểu hành vi tập thể có khả năng xuất hiện.

Hiện tượng nổi lên là kết quả của việc nhiều thành phần tạo thành một hệ tương tác, trong đó ảnh hưởng cục bộ được lặp lại, truyền đi và tổ chức thành mô hình ở cấp độ lớn hơn. Thuộc tính mới không cần tồn tại sẵn trong từng thành phần; nó có thể là đặc tính của chính mạng quan hệ giữa chúng.

Bởi vậy, câu hỏi quan trọng nhất không chỉ là hệ thống “được làm từ gì”, mà còn là các phần tương tác theo quy tắc nào, trong điều kiện nào và ở quy mô nào. Khi những quan hệ đó tạo phản hồi, phụ thuộc lẫn nhau hoặc động lực phi tuyến, hành vi tập thể có thể khác đáng kể so với những gì quan sát được ở từng phần riêng lẻ. Đó là cơ chế nền tảng khiến những hệ gồm các đơn vị tương đối đơn giản có thể tạo ra cấu trúc và hành vi phức tạp.