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Emergenz – more is different

Schon in der Schule wird uns beigebracht, dass 1 + 1 = 2 ergibt. Eine einfache Addition. Anders formuliert bedeutet es: Das Ganze ist immer die Summe seiner Einzelteile. Gültig ist dieser Satz nicht nur beim Rechnen, sondern auch beim Aufstellen naturwissenschaftlicher Formeln wie z.B. bei den Bewegungsgleichungen der klassischen Mechanik. Man kann beispielsweise exakt berechnen, wie ein kleines gasförmiges Molekül durch die Atmosphäre tanzt. Werden es aber mehr und mehr, ist ziemlich schnell der Punkt erreicht, wo die Aufenthaltsmöglichkeiten schier unendlich werden und die Vorhersage damit problematisch. Ein alltagstaugliches Beispiel ist die Wettervorhersage. Obwohl wir bei der Entstehung des Wetters physikalisch so ziemlich alles verstehen, wissen wir trotzdem nicht, was für ein Wetter uns in 14 Tagen beglücken wird. Allein das Zusammenspiel verschiedener Gase in der Atmosphäre ist zu komplex, um die zukünftigen Auswirkungen ihrer Bewegung genau berechnen zu können. Daher müssen wir uns wohl mit Wahrscheinlichkeiten begnügen. Aber das ist noch nicht alles. Die unzählbare Masse an Gasmolekülen ist nicht nur “zu viel”, sie verhält sich zudem auch noch anders als es ein einzelnes tun würde. Es entstehen kollektive Eigenschaften, wie beispielsweise Druck, die schlichtweg bei einem einzigen Gasmolekül nicht existieren. Ein komplex organisiertes System kann demnach Eigenschaften entwickeln, die sich von den Eigenschaften seiner Einzelteile unterscheidet. Dass eine Ganzheit eben nicht nur die Summe aus ihren Einzelteilen ist, sondern viel mehr als das sein kann, nennt man Emergenz und sie begegnet uns überall.

Bleiben wir kurz beim Wetter. Es ist schon faszinierend, dass jedes Eiskristall nicht nur in seinem Aufbau einzigartig, sondern auch noch symmetrisch ist. Doch woher weiß das eine Wassermolekül auf der linken Seite der Flocke, wie sich das Wassermolekül auf der rechten Seite verhält? Ist das mit klassischer Physik zu erklären? Und wie verhält es sich mit noch kleineren Dingen? Es lohnt sich ein gedanklicher Ausflug in die Welt der Elementarteilchen, die kleinsten Teilchen, die wir kennen und aus denen alles uns Bekannte besteht. Die verhalten sich nämlich überhaupt nicht so, wie es Newton, der Begründer der klassischen Mechanik, vermutet hätte und trotzdem sind sie real. Ganz verrückt wird es, wenn man sich auf den Gedanken einlässt, dass alles um uns herum andere Eigenschaften besitzt und sich anders verhält als die Teilchen aus dem es aufgebaut ist. Willkommen in der Quantenphysik, dem völlig anderen System, die Welt zu beschreiben. 

Ok, nun zurück zu den Dingen, die wir uns besser vorstellen können. Eins der schönsten Beispiele der Emergenz ist der Ursprung des Lebens. Zwar halten sich alle lebenden Organismen an die Gesetze der Physik und der Chemie; umgekehrt kann man jedoch nicht sagen, dass wir mit diesen Gesetzen genau erklären können, wie das Leben entstanden ist. Du und ich, wir beide, bestehen aus nicht lebendigen Proteinen, die geordnet das kleinste Lebewesen unseres Sonnensystems bilden, eine Zelle. Dumme Einzelteile, die durch Organisation ziemlich intelligente Sachen machen können. Eine Ameise ist nicht überlebensfähig, aber gemeinsam bilden sie riesige Kolonien mit zig Mitarbeiterinnen. Ein Schwarm aus Fischen trifft im Ernstfall die besseren Entscheidungen bei einem Angriff als ein einzelner Fisch. Und apropos Entscheidungen treffen – ist unser Bewusstsein dann auch nur eine emergente Eigenschaft unseres Gehirns? Mit dieser Frage beschäftigen sich derzeit viele Wissenschaftler und unter anderem auch der Neurobiologe David Eagleman. Er forscht zur menschlichen Wahrnehmung und deren neuronalen Grundlagen im Gehirn. Ihm ist bewusst, dass Visionäre bereits erste Vorversuche durchführen, um unser Bewusstsein eines Tages in Form von Schaltplänen als riesige Datenmenge ins Internet kopieren zu können. Dennoch, seine These ist, dass die Feinstruktur des Gehirns allein eben nicht den individuellen Menschen ausmache. Neben dem elektrischen Stromfluss durch die Axone der Gehirnzellen trägt nämlich auch das Umherfliegen der Botenstoffe oder die Reaktion auf soziale Interaktionen zum Bewusstsein bei. Um es verstehen zu können, brauche es mehr als die Kenntnis der Einzelteile. Insofern scheint es durchaus ein Beispiel für emergente Phänomene zu sein, da es der Definition “more is different” genügt. Es bleibt die spannende Frage: Wird es überhaupt irgendwann möglich sein, ein beobachtbares Verhalten einer höheren Ebene mit Gesetzen aus unterliegenden Ebenen erklären zu können? In diesem Fall lautet die eindeutige Antwort der aktuellen Forschung “agree to disagree”.

(Mehr zu diesem Thema ist im Blogeintrag „Emergenz“ von Josef Honerkamp zu finden)

Quellen

Anderson, P. W. (1972), More is different, Science 177, 4047, 393-396.
Busch et al. (2007), Heisenberg´s uncertainty principle, Physics Reports, 452, 6, 155-167.
Klaus-Dieter Sedlacek et al. (2010). Emergenz. Strukturen der Selbstorganisation in Natur und Technik. Books on Demand GmbH, Norderstedt.
https://www.spektrum.de/lexikon/psychologie/emergenz/4021
https:/www.nd-aktuell.de/artikel/1100467.bewusstsein-ohne-gehirn.html
Dinge Erklärt – Kurzgesagt YouTube Channel (https://www.youtube.com/watch?v=pb4YoMjcYM4)
Welt der Physik Podcast, Folge 330 – Emergenz

Autorin des Artikels ist Lale Carstensen.

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Ab und zu gibt es auch Gastbeiträge im Blog, die aktuell neben dem Team der Hertie-Stiftung verfasst werden von Carolin Fischer, M.Sc. in Molekularbiologie, ist Doktorandin am Hertie-Institut für klinische Hirnforschung in Tübingen und Lale Carstensen, M.Sc. in Chemie, promoviert am Institut für Wasserchemie der Technischen Universität Dresden. Beide lesen selbst gerne Blogs und möchten zu dieser kreativen Form der Wissenschaftskommunikation beitragen.