Πώς αναδύονται σύνθετα σύνολα από απλά μέρη

Θα μπορούσατε να περάσετε μια ζωή μελετώντας ένα μεμονωμένο μόριο νερού και ποτέ να μην συμπεράνετε την ακριβή σκληρότητα ή την ολισθηρότητα του πάγου. Παρακολουθήστε ένα μοναχικό μυρμήγκι κάτω από το μικροσκόπιο για όσο χρόνο θέλετε, και ακόμα δεν μπορούσατε να προβλέψετε ότι χιλιάδες από αυτά θα μπορούσαν να χτίσουν γέφυρες με το σώμα τους για να καλύπτουν κενά. Εξετάστε τα πουλιά σε ένα κοπάδι ή τα ψάρια σε ένα σχολείο και δεν θα βρείτε κάποιο που να ενορχηστρώνει τις κινήσεις όλων των άλλων.

Η φύση είναι γεμάτη με τέτοια παραδείγματα σύνθετων συμπεριφορών που προκύπτουν αυθόρμητα από σχετικά απλά στοιχεία. Οι ερευνητές επινόησαν ακόμη και τον όρο «ανάδυση» για να περιγράψουν αυτές τις αινιγματικές εκδηλώσεις αυτοοργάνωσης, οι οποίες μπορεί να φαίνονται, εκ πρώτης όψεως, ανεξήγητες. Από πού προέρχεται ξαφνικά η επιπλέον ένεση σύνθετης σειράς;

Οι απαντήσεις αρχίζουν να φαίνονται. Το ένα είναι ότι αυτά τα αναδυόμενα φαινόμενα μπορούν να γίνουν κατανοητά μόνο ως συλλογικές συμπεριφορές - δεν υπάρχει τρόπος να τα κατανοήσουμε χωρίς να εξετάσουμε μαζικά δεκάδες, εκατοντάδες, χιλιάδες ή περισσότερα από τα στοιχεία που συμβάλλουν. Αυτά τα σύνολα είναι πράγματι μεγαλύτερα από τα αθροίσματα των μερών τους.

Ένα άλλο είναι ότι ακόμη και όταν τα στοιχεία συνεχίζουν να ακολουθούν τους ίδιους κανόνες ατομικής συμπεριφοράς, εξωτερικές εκτιμήσεις μπορούν να αλλάξουν τη συλλογική έκβαση των πράξεών τους. Για παράδειγμα, ο πάγος δεν σχηματίζεται στους μηδέν βαθμούς Κελσίου επειδή τα μόρια του νερού ξαφνικά γίνονται πιο κολλώδη μεταξύ τους. Μάλλον, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων πέφτει αρκετά χαμηλά ώστε οι απωστικές και ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους να πέσουν σε μια νέα, πιο ελαστική ισορροπία. Αυτή η μετάβαση από υγρό σε στερεό είναι μια τόσο χρήσιμη σύγκριση για τους επιστήμονες που μελετούν την εμφάνιση που συχνά χαρακτηρίζουν τα αναδυόμενα φαινόμενα ως αλλαγές φάσης.

Η τελευταία μας Σε θεωρία το βίντεο για την ανάδυση εξηγεί περισσότερα για το πώς πολλά απλά μέρη μπορούν να αυτο-οργανωθούν σε ένα πιο εκπληκτικό σύνολο:

Όσο τρομακτικό κι αν φαίνεται η εμφάνιση, μια επίσημη κατανόησή της μπορεί να είναι εφικτή. Μερικοί ερευνητές αναζητούν καθολικούς κανόνες που θα περιέγραφαν αναδυόμενα φαινόμενα σε οποιοδήποτε σύστημα. Οι στατιστικές διαδικασίες όπως η επανακανονικοποίηση μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια πότε και πώς τα συλλογικά φαινόμενα αρχίζουν να γίνονται πιο σημαντικά.

Ως επιστημονική έννοια, η ανάδυση έχει τους επικριτές της, οι οποίοι τη βρίσκουν πολύ ολισθηρή και πολύ μη ενημερωτική για να είναι χρήσιμη. Αλλά αν μη τι άλλο, η ανάδυση βοηθά στο να καταδειχθεί γιατί οι επιστήμονες βρίσκουν ιεραρχίες φυσικών νόμων και διαδικασιών που λειτουργούν σε διαφορετικές κλίμακες σε όλη τη φύση.

Ελπίζουμε να σας άρεσε αυτό το τρίτο επεισόδιο από τη δεύτερη σεζόν της σειρά βίντεο Quanta's In Theory . Η προηγούμενη ενότητα περιέγραφε τις προσπάθειες των φυσικών να εκμεταλλευτούν μια «ολογραφική δυαδικότητα» στην προσπάθειά τους να αναπτύξουν μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας - δηλαδή, να ερμηνεύσουν ξανά τη βαρύτητα με όρους σωματιδίων που ταιριάζουν στην κβαντική μηχανική. Η δεύτερη σεζόν ξεκίνησε τον Αύγουστο με ένα βίντεο σχετικά με ένα μυστηριώδες μαθηματικό μοτίβο που εμφανίζεται σε όλα τα μαθηματικά, τη φυσική και τη βιολογία.

23 Μαΐου 2019, ενημέρωση:Τα άλλα βίντεο αυτής της σειράς εξερεύνησαν την καθολικότητα, την κβαντική βαρύτητα, τις τυρβώδεις ροές και τα διαγράμματα Feynman.