Emergenssistä

Pidin esitelmän emergenssistä filosofian opiskelijoiden kansallisessa seminaarissa (FOKS) Turun yliopistolla 14.11.2015. Tämä teksti on saman esitelmän kirjallinen versio, jonka tein ikään kuin luonnoksena hahmottaakseni suunnittelemani puheen rakenteen paremmin.

Tutkin väitöskirjassani emergenssiä ja sitä, miten sitä voidaan selittää informaation kautta. Tässä esseessä esittelen sitä näkökulmaa, josta lähden lähestymään kysymystä. Kyse ei ole niinkään tutkimukseni tuloksista kuin lähtökohdasta. Tässä sanotun ovat muut jo sanoneet ennen minua, vaikka eivät kaikkea yhdessä paikassa. Oman tutkimukseni tarkoitus on kehittää vielä yksityiskohtaisempaa yhtenäistä teoriaa emergenssistä ja informaatiosta.

Ensimmäinen vastattava kysymys on tietenkin se, mitä emergenssi oikeastaan on. Emergenssi on laaja käsite, joka tarkoittaa sitä, miten erilaisissa yhteyksissä jotakin uutta (ominaisuuksia, olioita, systeemejä) ilmaantuu jonkin toisen pohjalta. (Tämä saattaa havainnollistaa asiaa, vaikka emergenssiä se on vain hyvin heikossa mielessä.) Hieman yksinkertaistava sanonta on, että kokonaisuus on suurempi (tai erilainen) kuin osiensa summa. Emergenssi esiintyykin yleensä monimutkaisissa tai ainakin suurissa systeemeissä. Ilmeinen esimerkki on elämän synty elottomasta aineesta ja kehittyminen monimutkaisemmaksi. Toisaalta voidaan puhua myös makroskooppisten olioiden ominaisuuksien emergenssistä suhteessa alkeishiukkasiin. Kun tarkastelemme pelkkien aistiemme varassa ympärillämme olevaa maailmaa, emme suoraan havaitse esimerkiksi atomien ominaisuuksia tai edes olemassaoloa. Hiukkasten yhdessä muodostama ja meidän niitä paljon suurempien olentojen havaitsema maailma on ominaisuuksiltaan aivan erilainen kuin hiukkasten maailma. Tässä mielessä se on emergentti.

Filosofiassa puhutaan usein myös supervenienssistä. Mainitsen tämän, koska se on käsitteenä niin lähellä emergenssiä. Emergenssi oli siis karkeasti ottaen sitä, että on ylemmän tason ominaisuuksia, jotka ovat uusia alempaan tasoon verrattuna. Supervenienssi taas on epämääräisesti sanottuna sitä, että on ylemmän tason ominaisuuksia, jotka eivät voi muuttua niitä perustavien alemman tason ominaisuuksien muuttumatta. Molemmat näistä kuvauksista voisivat hyvin viitata samaan asiaan. Tarkemmin analysoituina ne voivat erota toisistaan. Voidaan esimerkiksi sanoa, että yksi mahdollinen tapa määritellä emergenssi on supervenienssin kautta. Koska kummallekaan ei kuitenkaan ole mitään yhtä selvää määritelmää, ne eivät myöskään eroa toisistaan johdonmukaisesti. Jos jotkin kaksi lähdettä määrittelevät eron supervenienssin ja emergenssin välille, kumpikin antaa todennäköisesti eri määritelmän. Oikeista ilmiöistä puhuessa on nähdäkseni usein mielivaltaista, kumpaa termiä käytetään, koska se täytyy kuitenkin määritellä tarkemmin tilanteen mukaan. Filosofit eivät tosin näytä huomanneen tätä. Ehkä he eivät ole käsitelleet tarpeeksi oikeita ilmiöitä.

Yksi ero supervenienssin ja emergenssin välillä on se, että emergenssi voi tarkoittaa sekä prosessia (kuten evoluutio) että tilaa (kuten mikro- ja makrofysiikan välinen suhde), kun taas supervenienssi tarkoittaa aina tilaa. Emergenssistä puhuttaessa tyypillisesti yhdistetään puhe prosessista ja tilasta sitä sen kummemmin ajattelematta. Tämä näyttää aiheuttavan yllättävän vähän ongelmia, joten teen tässä itsekin niin.

Emergenssiin liittyvät kysymykset ovat erityisen kiehtovia paristakin toisiinsa liittyvästä syystä.

Ensimmäiseksi: ajatelkaa fyysikkojen ”Kaiken teoriaa”, hypoteettista vielä löytymättä olevaa kaiken fysiikan kattavaa teoriaa, jonka puitteissa koko maailmankaikkeuden kaikki ilmiöt tapahtuisivat. Sen etsiminen voidaan nähdä koko todellisuuden taustalla olevien perusominaisuuksien etsintänä. Niinhän se onkin – kunhan ymmärretään, missä rajoissa. Perimmäinen fysiikan lakien kuvaus olisi minustakin todella kiehtovaa löytää. Kuinka vahvassa mielessä Kaiken teoria kuitenkaan todella selittäisi kaiken?

Voisiko tällaisen Kaiken teorian perusteella ennustaa tai selittää mitä hyvänsä? Tietenkään ei. Maailmankaikkeudessa on aivan liikaa informaatiota – jo pienessä osassakin sitä. Lisäksi jos tätä yritettäisiin, näkemättä jäisivät paljon paremmin asioita selittävät ja kuitenkin yksinkertaisemmat selitykset. Vaikka pystyisikin esimerkiksi kuvaamaan elämän synnyn ja kehityksen alkeishiukkanen alkeishiukkaselta, tällöin kyseessä olisi vain valtava lista asioita, jossa ei siltikään missään kohtaa todettaisi yksinkertaista luonnonvalinnan periaatetta, joka on todellinen selittävä periaate tälle kaikelle. Siinä listassa ei edes voitaisi sanoa, että DNA sisältää perintöaineksen, vaikka siinä kuvailtaisiin lukuisia yksittäisiä DNA-molekyylejä niiden osien kautta. Tällaisen yleistyksen tekeminen tarkoittaisi nimittäin sitä, että liikuttaisiin pois Kaiken teorian tasolta johonkin muuhun, ylemmän tason kuvaukseen.

Emergenssin tämä tekee kiehtovaksi siksi, että kun sanomme, että suurin osa maailmasta ei ole kuvailtavissa Kaiken teorian kautta, sanomme samalla, että se kaikki on emergenttiä. Tämän lisäksi emergenssillä on joitakin yleisiä säännönmukaisuuksia, jotka esiintyvät aivan erilaisissakin ilmiöissä. Ja tästä seuraa, että emergenssiä kuvaavat teoriat voivat oikeasti kertoa paljon enemmän maailman ”yleisestä rakenteesta” kuin Kaiken teoria voi. Tämä johtuu osittain siitä, että ne on muotoiltava matematiikan ja logiikan kautta, ja matematiikka ja logiikka ovat vielä yleisemmän tason kuvauksia kuin fysiikka.

Toinen syy miksi emergenssin tutkimus on kiehtovaa on se, että se liittyy kysymyksiin inhimillisen ja fysikaalisen maailman suhteesta. Nicholas Maxwell (The Human World in the Physical Universe) kutsuu tätä filosofian kaikkein tärkeimmäksi kysymykseksi. Siis: miten kausaalinen ja välinpitämätön maailmankaikkeus, jonka havaitsemme tieteellisesti, voi yhtä aikaa olla osiltaan tietoinen, tarkoituksenmukainen ja moraalisesti arvokas? Vaikka käsittelemäni näkökulma on lähinnä tieteellinen ja tutkii siis emergenssiä vain fysikaalisen maailmankaikkeuden sisällä, arvot ja muut inhimilliset ominaisuudet voidaan myös nähdä omalla tavallaan emergentteinä. Tämä voi myös auttaa vastaamaan Maxwellin kysymykseen.

Emergenssiajattelu on käynyt läpi karkeasti ottaen kaksi historiallista vaihetta. Sen ensimmäinen edustaja oli John Stuart Mill (System of Logic), joka kannatti eräänlaista vahvaa emergenssiä. Hän ehdotti, että joitakin monimutkaisia systeemejä koskevat ikään kuin erilaiset perustavat luonnonlait, siis sellaiset, jotka pitäisi kuvata erikseen mahdollisessa Kaiken teoriassa. Kokonaisuuksien käytöstä ei tällöin voisi periaatteessakaan palauttaa osien käytökseen, ei vaikka pystyisi laskemaan jokaisen alkeishiukkasen tilan tarkasti.

Voi kuulostaa oudolta ajatella, että luonnonlakeja olisi muullakin tasolla kuin ”pohjalla”. Itse asiassa vo jäädä helposti huomaamatta, että kyse olisi luonnonlaeista. Joku (esim. Kari Enqvist: Monimutkaisuus) voisi sen sijaan sanoa, että vahva emergenssi olisi jonkinlainen selittämätön ihme. Kunhan ”ihme” olisi säännönmukainen, se olisi kuitenkin sama asia kuin perustava luonnonlaki. Kumpaakaan ei voi enää selittää vedoten mihinkään muuhun. Kumpikaan ei ole siinä suhteessa toista ihmeellisempi.

Hypoteesi, että korkeammalla tasolla on omat luonnonlakinsa, olisi siis sinänsä järkevä, jos olisi syytä ajatella, että osia koskevat luonnonlait eivät voi johtaa ylemmän tason ilmiöihin. Millin aikaan tämä oli huomattavasti järkevämpää kuin nyt. Kemiassa tunnettiin paljon erilaisia lainalaisuuksia (”yhdistä tätä ja tätä niin tulee tuota”), joissa ei tuntunut olevan mitään erityistä johdonmukaisuutta. Reaktion tulos ei tuntunut seuraavan sen lähtökohdasta. Elävä aines taas vaikutti jotenkin ihmeellisesti tekevän asioita, joihin eloton ei pystynyt.

Tietenkin asiat muuttuivat ennen pitkää. Kemia redusoitiin fysiikkaan, kun keksittiin ne perusteet, joita meille yritettiin opettaa koulussa, eli että nämä atomit yhdistyvät koska niillä on nämä määrät ulkoelektroneja ja niin edelleen. Elävien olioiden toimintaperiaatteita opittiin ymmärtämään paremmin, ja nähtiin, että niissä ei ollut takana mitään elämänvoimaa vaan lähinnä kemiaa.

Vahva emergenssi meni tarpeettomana pois muodista. Innostuttiin ehkä liikaakin reduktion mahdollisuuksista.

Nykyään on kuitenkin taas muotia toisenlainen, heikko emergenssi, joka on tullut enemmänkin tieteen kuin filosofian parista. (Filosofit puhuvat kuulemma nykyään emergenssistä enemmän mentaalisuuden yhteydessä, mutta sitä en tässä käsittele.) Tässä ajatuksena on, että oletetaan olevan kaiken pohjalla oleva Kaiken teoria, johon ei periaatteessa tarvitse lisätä mitään, mutta silti monimutkaiset systeemit tekevät jotakin aivan ”uutta” ja kehittävät omia lakejaan. Tällaisessa heikossa emergenssissä ei siis tarvita uusia perustavia luonnonlakeja. Kiinnostavaa on se, että silti voidaan löytää jonkinlaisia ”lakeja”, jotka ovat siis matemaattisia tai loogisia. Loogisella tarkoitan tässä jotakin, jota ei olla pystytty muotoilemaan matemaattisella tarkkuudella, mutta jolla on silti selitysvoimaa. Tästä esimerkkinä ovat erilaiset versiot luonnonvalinnan periaatteista.

Yllä määrittelin käytännössä vahvan emergenssin sellaiseksi, joka perustuu uusiin luonnonlakeihin, ja heikon sellaiseksi, joka ei tarvitse niitä. Tämän lisäksi voidaan esittää toinen luokittelu, joka on lähes sama: ontologinen ja epistemologinen emergenssi. Ontologisessa emergenssissä jotakin uutta todella ilmaantuu. Epistemologisessa emergenssissä puolestaan on kyse vain siitä, että ilmiö näyttää alemmalle tasolle palautumattomalta siksi, että emme pysty suorittamaan reduktiota alemmalle tasolle. Näyttää siltä, että vahva ja ontologinen ja toisaalta heikko ja epistemologinen emergenssi ovat suunnilleen samoja asioita. Kiinnostavaa on se, että heikkokin emergenssi voi luoda tietyssä mielessä jotakin uutta ja itsenäistä. Saatan päätyä väitöskirjassani argumentoimaan, että se voi olla ontologista emergenssiä jossakin kiinnostavassa mielessä. Tässä se olisi kuitenkin liian monimutkaista. Tyydyn osoittamaan, miten heikosti emergentit ilmiöt voivat olla melko vahvassa mielessä alemmalle tasolle palautumattomia.

Tarkastelkaamme tarkemmin luonnossa esiintyviä emergenssin muotoja. Ehkä yksinkertaisin on Kari Enqvistin edellä mainitussa kirjassaan Monimutkaisuus (joka ei muuten puhu monimutkaisuudesta tai ainakaan kompleksisuudesta juuri mitään) ainoana hyväksymä muoto, joka perustuu karkeistukseen. Tämä tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että emme esimerkiksi näe kaikkien alkeishiukkasten ominaisuuksia vaan ainoastaan niiden muodostaman kokonaisuuden tilastollisen ”keskimääräisen” yhteisvaikutuksen. Näin kappaleen lämpötila on emergentti ominaisuus, jota kappaleen muodostavilla hiukkasilla ei ole. Näillä hiukkasilla on vain erinopeuksisia liiketiloja, ja lämpötilana havaitsemamme ominaisuus riippuu niiden liikkeiden keskiarvosta. Kyseessä ei ole myöskään asia, jonka vain me tällaisina aistivina olentoina kirjaimellisesti havaitsemme, vaan se vaikuttaa myös muihin makroskooppisiin asioihin, esimerkiksi tuleen syttymiseen ja veden kiehumiseen. Maailma siis ikään kuin itse havaitsee itsensä karkeistettuna tällä tasolla. Ylemmän tason kausaalilait perustuvat karkeistukseen eli informaation häviämiseen.

Entä monimutkaisempi, kehittymiseen perustuva emergenssi? Jos palaamme taas esimerkkiin elämän kehityksestä, huomaamme sielläkin eräänlaista informaation häviämistä. Tällä tarkoitan sitä, että lainalaisuudet pätevät riippumatta siitä, millä tavoin ne toteutuvat. Luonnonvalinta ilmenee missä tahansa tilanteessa, jossa toteutuu muutama perusehto (ks. Richard Dawkins: The Blind Watchmaker): periytyvyys, satunnainen muuntelu, ja periytyviin ominaisuuksiin kohdistuva valintapaine. Se ei siis riipu esimerkiksi DNA:sta, kunhan jokin muu voi ajaa saman asian abstraktilla tasolla. Vastaavasti tietynlaiset valintapaineet eivät riipu yksityiskohdista. Vedessä eläville eläimille kehittyy usein evät, ja loisiminen on tehokas strategia useissa konteksteissa. Tämän lisäksi evoluutio näyttää seuraavan abstraktimpia lainalaisuuksia, joita ei voi helposti selittää näin arkikielen logiikalla. (Ks. esim. Jack Cohen ja Ian Stewart: The Collapse of Chaos tai Stuart Kauffman: Investigations.)

Näissä tapauksissa siis häviää informaatiota siitä, millaiset tietyt fysikaaliset rakenteet toteuttavat tietyn evolutiivisen funktion. Ylipäätäänkin emergenssissä on usein olennaista se, että ylemmällä tasolla toteutuu jokin funktio, jota ei esiinny alemmalla tasolla ja joka ei riipu alemman tason tarkoista yksityiskohdista. Varsinkaan ne eivät riipu kaikkein pienimmän tason ja Kaiken teorian yksityiskohdista.

Tässä kohtaa täytyy palata supervenienssiin, koska eräs siihen liitetty käsite sopii hyvin tähän kohtaan. Käsite on moninainen toteutuvuus tai monitoteutuvuus (multiple realisability). Sen sisältö on, että vaikka supervenientit ominaisuudet eivät määritelmällisesti voi muuttua ilman muutosta niitä pohjaavissa ominaisuuksissa, alemman tason ominaisuudet voivat muuttua supervenienttien ominaisuuksien muuttumatta. Sama pätee ainakin joihinkin emergenteiksi kutsuttuhin ominaisuuksiin, luultavasti kaikkiin, ja vielä erikseen emergentteihin lainalaisuuksiin. Yllä esitetyssä esimerkissä kappaleen lämpötila ei riipu minkään tietyn hiukkasen liikkeestä vaan niiden keskiarvosta – ja monet eri hiukkasten liikkeiden yhdistelmät johtaisivat samaan keskiarvoon.

Toinen asiaan liittyvä filosofian käsite on alimääräytyneisyys. Ajatelkaamme käytännön ongelmaa sen suhteen, ettemme osaa sanoa, mikä teoria selittää havainnot. Edellä mainitsin, että emme pelkästään aisteillamme tarkastelemalla näe alkeishiukkasia, jotka muodostavat näkemämme kohteet. Tämä voidaan muotoilla myös niin, että emme osaa niin helpolla muodostaa oikeaa teoriaa siitä, mistä kohteet lopulta koostuvat. Kyse ei kuitenkaan liene siitä, ettemme tässä tilanteessa osaisi muotoilla mitään teoriaa, joka voisi selittää havaintomme. Päinvastoin voisimme muotoilla aivan liian monta teoriaa, jotka kaikki toimisivat yhtä hyvin.

Tässä mielessä Kaiken teoria ei siis selitä edes makromaailmaa ylipäätään: maailman luonne ei riipu siitä, että Kaiken teoria on tarkalleen sellainen kuin se on. Tämä lakkaa pätemästä vasta kun teemme niin huolellisia kokeita ja havaintoja, että pystymme erottelemaan eri esitetyt mikroteoriat niiden perusteella. Se ei päde suurimpaan osaan siitä, millaisena maailma ilmenee.

Sama pätee myös monimutkaisissa prosesseissa ylipäätään. Kuvitelkaa, että pystyisimmekin esittämään selityksen jostakin emergentistä ilmiöstä Kaiken teorian tasolla. Jos tämä emergentti ilmiö toteuttaisi mitään yleisiä, moninaisesti toteutuvia lainalaisuuksia, voisimme säilyttää selityksen mutta pudottaa Kaiken teorian siitä pois. Selitys ei riippuisi tietystä Kaiken teoriasta, ainoastaan siitä, että jokin monista ylemmän tason lainalaisuuden mahdollistavista kaiken teorioista olisi tosi. Tarkka informaatio alemmasta tasosta olisi taas kadonnut – eikä sitä tarvittaisi.

Näin saadaan sitten aikaan se näennäisesti mahdoton yhtälö, että ei tarvita erillisiä ylemmän tason luonnonlakeja mutta emergentti taso on silti jotenkin uusi ja itsenäinen. Ylemmän tason periaatteet – ja nehän olivat loogisia ja/tai matemaattisia – ovat olemassa mahdollisuuksina osittain riippumatta siitä, millainen alempi taso on. Alemman tason tarvitsee vain täyttää joitakin tiettyjä väljiä ehtoja. Ilmiöiden selitys ja lainalaisuudet todella kuuluvat emergentille tasolle, eivät Kaiken teoriaan. Perustavin fysikaalinen taso tarvitaan tietenkin mahdollistamaan emergenssi ja kaikki siihen liittyvä, mutta se ei täysin määritä emergenttejä ilmiöitä. Kun otetaan vielä huomioon, että emergenssi ajassa kulkevan kehityksen mielessä luo jatkuvasti uusia monimutkaisia rakenteita, joilla on omat ominaisuutensa ja säännönmukaisuutensa, voidaan sanoa, että emergenssi tuottaa uutuutta rajattomasti ja yksityiskohdiltaan ennakoimattomasti. (Vrt. Stuart Kauffman: Investigations.)

Reduktionismi on monessa tapauksessa hyvä lähestymistapa tieteessä. Sen soveltaminen kaikkeen on kuitenkin yksisilmäisyyttä. Emergenttejä ilmiöitä ei ole syytä pyrkiä aina hajoittamaan pienimpiin osiinsa – ei ainakaan, jos niitä haluaa ymmärtää. Näitä ilmiöitä pitää ymmärtää niiden omilla ehdoilla. Toisaalta jos niistä haluaa ymmärtää jotakin yleisemmällä tasolla, emergenssin lainalaisuudet voivat kertoa paljonkin. Juuri näitä lainalaisuuksia tutkin väitöskirjassani.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s