Comportamento Emergente dei Sistemi Complessi

Nella teoria della complessità il comportamento emergente è la situazione nella quale un sistema complesso esibisce proprietà macroscopiche ben definibili, difficilmente predicibili sulla base delle leggi che governano le sue componenti prese singolarmente, scaturendo dunque dalle interazioni lineari e non-lineari tra le componenti stesse: quantunque sia più facilmente riscontrabile in sistemi di organismi viventi o di individui sociali oppure ancora in sistemi economici, l’emergenza si manifesta anche in contesti molto più elementari, come ad esempio la fisica delle particelle e la fisica atomica.

Essa può essere definita anche come il processo di formazione di schemi complessi a partire da regole più semplici, fissate per pochi individui di base che possono condurre a evoluzioni assai complesse.

Nonostante l’impredicibilità del comportamento emergente, in un sistema deterministico, se esso non ha origine dall’interazione dell’ambiente, esso è diretta conseguenza della condizione iniziale del sistema.

Descrizione

Proprietà emergenti

Un comportamento emergente o proprietà emergente può comparire quando un numero di entità semplici (agenti) operano in un ambiente, dando origine a comportamenti più complessi in quanto collettività. La proprietà stessa non è facilmente predicibile, e rappresenta un successivo livello di evoluzione del sistema. I comportamenti complessi non sono proprietà delle singole entità e non possono essere facilmente riconosciuti o dedotti dal comportamento di entità del livello più basso. La forma e il comportamento di uno stormo di uccelli o di un banco di pesci sono buoni esempi di proprietà emergente.

Una delle ragioni per cui si verifica un comportamento emergente è che il numero di interazioni tra le componenti di un sistema aumenta combinatoriamente con il numero delle componenti, consentendo il potenziale emergere di nuovi e più impercettibili tipi di comportamento.

D’altro canto, non è affatto sufficiente un gran numero di interazioni per determinare un comportamento emergente, perché molte interazioni potrebbero essere irrilevanti, oppure annullarsi a vicenda. Generalmente, un grande numero di interazioni può contrastare l’emergenza di comportamenti interessanti, creando un forte “rumore di fondo” che può “zittire” ogni segnale di emergenza; il comportamento emergente potrebbe in questo caso aver bisogno di essere temporaneamente isolato dalle altre interazioni mentre raggiunge una massa critica tale da autosostenersi.

Apparentemente i sistemi con proprietà emergenti o strutture emergenti sembrano superare il principio entropico e sconfiggere la seconda legge della termodinamica, in quanto creano e aumentano l’ordine. Questo è possibile perché i sistemi aperti possono ricavare informazione e ordine dall’ambiente. La seconda legge della termodinamica in realtà si riferisce ad un sistema chiuso: “se avviene un processo irreversibile, in un sistema chiuso, l’entropia S del sistema aumenta sempre, in particolare non diminuisce mai“. Nei sistemi aperti l’aumento dell’entropia dell’universo non viene comunque violata.

Secondo una prospettiva innovativa nell’ambito della psicologia, l’intelligenza, il linguaggio umano, la percezione di elementi qualitativi (qualia) e l’autoriflessività sono comportamenti emergenti dell’uomo che emergono senza che possano essere desumibili dalla sola interazione madre-bambini o dai soli neuroni.

Strutture emergenti in natura

Le strutture emergenti sono il risultato delle interazioni di ogni parte con il suo intorno che tramite un processo complesso porta all’ordine. Si potrebbe concludere che le strutture emergenti non si riducono alla congiunzione delle loro parti, perché affinché emerga l’ordine non è sufficiente la mera coesistenza delle varie parti, ma è necessario che le stesse interagiscano in un certo modo.

Un esempio biologico è una colonia di formiche. Ogni singola formica reagisce a stimoli, in forma di odori chimici provenienti dalle larve, dalle altre formiche, da intrusi, cibo e immondizia, e si lascia dietro una traccia chimica che, a sua volta, servirà da stimolo alle altre. Ogni formica è un’unità autonoma che reagisce solamente in relazione all’ambiente, alle regole genetiche della sua specie ed alle altre formiche. Nonostante la mancanza di un ordine centralizzato, le colonie di formiche esibiscono un comportamento complesso ed hanno dimostrato la capacità di affrontare problemi geometrici. Ad esempio, localizzano un punto alla distanza massima da tutte le entrate della colonia per disporvi i corpi morti.

Questo fenomeno è simile ad altre strutture emergenti riscontrate negli insetti sociali, basate principalmente su feromoni e odori chimici. Strutture emergenti si possono osservare per molti animali che vivono in gruppo (sciami di api, stormi di uccelli, banchi di pesci o branchi di lupi, greggi e mandrie di mammiferi,…)

Le strutture emergenti si riscontrano in molti fenomeni naturali, in campo fisico e biologico. Anche la struttura spaziale e la forma delle galassie è una proprietà emergente, che caratterizza la distribuzione su larga scala dell’energia e della materia nell’universo. I fenomeni meteorologici come gli uragani sono proprietà emergenti. Molti sono convinti che la coscienza e la vita stessa siano proprietà emergenti di una vasta rete di interazioni, rispettivamente di neuroni e di molecole complesse. I viventi sono gli esseri che presentano la maggiore complessità.

Emergenza in fisica

In fisica, l’emergenza è usata per descrivere una proprietà, legge o fenomeno che si manifesta su scala macroscopica (nello spazio o nel tempo), ma non a livello microscopico, al di là del fatto che un sistema macroscopico può essere considerato come un grande insieme di sistemi microscopici. Alcuni esempi:

Colore. Le particelle elementari come protoni o elettroni non hanno colore. Solo quando sono disposti in atomi assorbono o emettono specifiche lunghezze d’onda così da poter definire il colore della materia.
Attrito. Le particelle elementari non hanno attrito, o meglio le forze che agiscono tra loro sono conservative. L’attrito emerge quando si considerano strutture più complesse di materia, le cui superfici possono assorbire energia se sfregate tra loro. Considerazioni simili si possono applicare ad altri concetti come la viscosità, l’elasticità, la resistenza alla trazione.
Meccanica classica. Si può dire che le leggi della meccanica classica emergono come caso limite dalle regole della meccanica quantistica applicate a masse abbastanza grandi. Ciò sembra una contraddizione, perché la meccanica quantistica è generalmente considerata più complessa della meccanica classica – mentre di solito i livelli più bassi hanno regole meno complicate (o meno complesse) rispetto alle proprietà emergenti.
Meccanica statistica. La meccanica statistica nasce dall’idea di utilizzare insiemi tanto grandi da poter ignorare le fluttuazioni rispetto alla distribuzione più verosimile. Di conseguenza, è stato necessario modificare o abbandonare alcuni concetti in relazione ai sistemi microscopici, in cui le fluttuazioni diventano (relativamente) importanti per una descrizione realistica del sistema. Ad esempio, piccole masse non mostrano evidenti cambiamenti di fase di primo ordine, come la fusione, e al limite non è possibile categorizzare chiaramente la massa come liquida o solida, poiché questi concetti si possono applicare solo ai sistemi macroscopici.
La temperatura è spesso usata come esempio di comportamento emergente macroscopico. Nella dinamica classica, la quantità di moto istantanea di un numero abbastanza grande di particelle all’equilibrio è sufficiente a calcolare l’energia cinetica media per grado di libertà, che è proporzionale alla temperatura. Per un piccolo numero di particelle le quantità di moto istantanee non sono statisticamente sufficienti a determinare la temperatura del sistema. Tuttavia, utilizzando l’ipotesi ergodica, è possibile ottenere la temperatura normalizzando le quantità di moto per un periodo di tempo sufficientemente lungo.

****

Tre video esplicativi del Prof. Ignazio Licata sull’EMERGENZA dei SISTEMI COMPLESSI

Ignazio Licata – Parte 1

Ignazio Licata – Parte 2

Ignazio Licata – Parte 3