thumb|Een termietenheuvel is een klassiek voorbeeld van emergentie in de natuur Emergentie (emergeren = opdoemen, plotseling verschijnen) is het spontaan ontstaan van nieuwe, onverwachte eigenschappen, patronen of structuren uit de wisselwerking tussen de componenten van een systeem zonder dat er sprake is van centrale sturing. Emergentie kenmerkt zich doordat het andere eigenschappen heeft dan de componenten waaruit het is opgebouwd. Zo'n verschijnsel kan bestendig zijn, zoals de vorming van een molecuul in een scheikundige reactie of de vorming van een termietenheuvel, of tijdelijk, zoals een vlucht spreeuwen, waarbij het later weer uiteenvalt in de componenten. De kenmerken van de emergentie hebben dus uitsluitend betrekking op het geheel en niet op de delen waaruit het is samengesteld, het geheel is meer dan de som der delen. 'Wat is emergentie?' Quantumuniverse
De beschrijving van emergentie is meestal fenomenologisch van aard, dat wil zeggen het beschrijft het fenomeen zonder dieper in te gaan op de eigenschappen van de samenstellende onderdelen, zoals het gedrag van een kudde schapen en de wave van het publiek in een voetbalstadion. Daarbovenop is vaak nog een nieuw theoretisch kader nodig, zoals kristallografie om de vorm van kristallen te verklaren en het atoommodel van Bohr om de bouw van een atoom te begrijpen.; (1997): 'On emergence and Explanation' in Intellectica, 2, No. 25, p. 67-83
De vraag is of emergentie voorspelbaar is vanuit de kennis van de eigenschappen van de samenstellende onderdelen. Dat is bij meer dan twee componenten al een probleem, zoals drielichamenprobleem. Slechts door middel van computersimulatie is enigszins voorspelbaar wat er zal gaan gebeuren. Naarmate het aantal componenten toeneemt, wordt dit steeds problematischer en moet vaak worden teruggegrepen op historische gebeurtenissen onder ongeveer gelijke omstandigheden, wat al gebeurt bij onder meer weersvoorspellingen.
Kennis van het deterministische algoritme dat de interactie bepaalt is hier cruciaal. Als de uitvoering van zo'n algoritme afhankelijk is van externe, vaak toevallige omstandigheden dan kan (zeker als het algoritme ook nog recursieve eigenschappen heeft) het resultaat van zo'n algoritme toch onvoorspelbaar zijn, zoals blijkt uit het gedrag van cellulaire automaten, zoals Conway's Artificial Life).
Het concept van emergentie is al heel oud,Aristoteles, Metafysica, Boek Η 1045a 8–10: ... het totaal is niet louter een grote hoop, maar anders dan de delen..., dat wil zeggen het geheel is anders dan de som van de delen. maar is de laatste twintig jaar weer meer in de belangstelling gekomen door de ontdekking van structuren en verschijnselen waarvan de eigenschappen niet eenvoudig zijn terug te voeren op eigenschappen van de basale bouwstenen van zo'n emergentie.
Emergentie speelt verder een belangrijke rol in de systeemtheorie en de complexiteitstheorie.
Omschrijving Emergentie ontstaat door interactie van factoren (objecten, golven, krachten, ideeën) waardoor nieuwe entiteiten (systemen, objecten, patronen, reacties, inzichten) ontstaan die kenmerken en eigenschappen hebben die niet aanwezig zijn bij de samenstellende of onderliggende factoren en daardoor nieuw zijn.
Kenmerken en gevolgen van emergentie zijn: Emergentie is schaalafhankelijk: het nieuwe, emergentie doet zich altijd voor binnen een bepaalde context van dezelfde schaal of groter. Niet zelden is die context ook verantwoordelijk voor het ontstaan van die emergentie, zoals kristallisatie in een oververzadigde vloeistof vindt pas plaats als de temperatuur beneden het stollingspunt daalt en er een condensatiekern aanwezig is waar de kristallisatie kan beginnen; paniek in een menigte ontstaat wanneer een bepaald omslagpunt bereikt is, waar de geringste verstoring tot paniek kan leiden; een brave huisvader kan onder bepaalde omstandigheden een massamoordenaar worden. Veel emergentie ontstaat als gevolg van een groeiproces: in een dissipatief systeem (i.e. een systeem dat voortdurend energie en materie met de omgeving uitwisselt) met veel componenten ontstaat door een autokatalytische reactie een zelforganiserend emergent systeem dat zich zolang als de omstandigheden hetzelfde blijven kan handhaven, zoals kristalgroei, convectiestromen, een vlucht spreeuwen en een school vissen Het ontstaan van emergentie gaat meestal gepaard met een verlaging van entropie, het verschijnsel vertoont een (gecompliceerde) ordening die niet aanwezig is bij de oorspronkelijke verzameling bouwstenen waaruit hij is opgebouwd. Entropie, de mate van wanorde, is echter ook een relatief begrip, dat afhangt van het perspectief van de waarnemer. Een theorie van alles gaat uit van een reductionistische verklaring van alles in termen van elementaire bouwstenen en hun onderlinge wisselwerkingen. Emergentie is echter niet op die manier te verklaren, omdat het eigenschappen betreft van het collectief en niet van de bouwstenen. Die verlangen daarom een verklaring op dat specifieke collectieve niveau (eventueel afgeleid vanuit een hoger niveau).; ; ; (2008): 'More Really is Different' Er kan onderscheid worden gemaakt tussen objectieve en subjectieve emergentie. Subjectieve emergentie wordt slechts bepaald door het perspectief van de waarnemer, zoals de zintuiglijke opgeroepen sensaties. Licht en kleur, smaak, geur, geluid en gevoel en ook hallucinaties worden strikt persoonlijk vanuit het perspectief van de waarnemer ervaren. Objectief is emergentie als deze ook aanwezig is zonder dat iemand deze waarneemt, zoals de vloeibaarheid van water en de ijskristalvorming bij 0 °C. Vaak treden beide tegelijk op, zoals de muziek die een orkest speelt een objectieve emergentie is, maar de emotie die het bij verschillende luisteraars oproept, weer subjectief emergent is.
Emergentie en reductionisme thumb|Reductionisme en emergentie zijn elkaars complement Reductionisme en emergentie lijken twee visies op hetzelfde verschijnsel te zijn, ze zijn met andere woorden complementair, terwijl elke visie afzonderlijk onvoldoende is om het verschijnsel te verklaren.Piers Coleman, Center for Materials Theory, Rutgers, Hubbard Theory Consortium and Physics Department, Royal Holloway, University of London; bijdrage aan DIEP-conference 'Emergence at all lengthscales' 22-01-2019 Reductionisme volgt de weg terug in de tijd: hoe is het ontstaan? Welke oorzaken liggen er aan ten grondslag? Emergentie is juist het (vaak onvoorspelbare) gevolg in de tijd van een wisselwerking, waarbij meerdere onderdelen betrokken zijn en waardoor er iets nieuws ontstaat. Emergentisme en reductionisme vullen elkaar dus complementair aan.
Zo ontstaat bij het mengen van waterstofgas en zuurstofgas niet automatisch water. Het gasmengsel of knalgas moet worden aangestoken door middel van een vonk of er moet gebruikgemaakt worden van een katalysator. Kortom, niet alleen de ingrediënten, maar ook de omstandigheden (de context) spelen een belangrijke rol. Als dit eenmaal bekend is, dan is er een recept of een algoritme gevonden voor het maken van water. De eigenschappen van het watermolecuul verschillen aanzienlijk van de componenten waterstof en zuurstof en zijn daarom emergent. De eigenschappen van water zoals faseovergangen, oppervlaktespanning en dipool-karakter kan door middel van een reductionistische werkwijze wel weer onderzocht en geanalyseerd worden op basis van de kennis van het H₂O-molecuul.
Nobelprijswinnaar Robert Betts Laughlin maakte duidelijk waar het reductionisme faalt bij het verklaren van natuurverschijnselen, met name bij verschijnselen die pas tot uiting komen als er sprake is van organisatie van verschillende onderdelen in een collectief systeem zoals bij kristalgroei, faseovergangen, supergeleiding, superfluïditeit, zelforganisatie in biologische systemen, kortom allerlei collectieve verschijnselen die emergent zijn. (2005)
Sterke en zwakke emergentie In de filosofie wordt er onderscheid gemaakt tussen sterke en zwakke emergentie. Bij zwakke emergentie blijft het verschijnsel reductionistisch verklaarbaar. Er komt echter door onderlinge wisselwerking een nieuwe eigenschap tevoorschijn die verbonden is met het collectief, maar die wel verklaarbaar is vanuit het onderliggende niveau. De wisselwerking waardoor emergentie ontstaat is meestal tijdelijk van aard, zoals een draaikolk, een vlucht spreeuwen, een autofile, paniek in een mensenmassa, en wordt vaak door externe oorzaken getriggered. Omdat dergelijke zwakke emergentie een rechtstreeks gevolg is van wisselwerking tussen een groot aantal componenten in een geschikte omgeving, is het vaak te simuleren door middel van een statistisch-mathematisch model of programma.
De meeste auteurs beschouwen sterke emergentie als een niet-reductionistisch verklaarbaar verschijnsel of systeem dat robuust en min of meer stabiel is. De discussie spitst zich toe of zo'n verschijnsel überhaupt kan bestaan vanuit de gedachte dat natuurwetten universeel en compatibel zijn, zodat een reductionistische verklaring altijd mogelijk zou moeten zijn, ook al is die verklaring er nog niet. Voornoemde Laughlin bestrijdt dit aan de hand van talrijke voorbeelden.
Filosofen beschouwen sterke emergentie als een ontologisch verschillend verschijnsel dat zich onttrekt aan de klassieke fysische wetten. David Chalmers beweert dat alleen bewustzijn hier een voorbeeld van zou kunnen zijn, maar volgt daarmee wel een dualistische opvatting van de werkelijkheid.
Een vruchtbaarder en praktischer onderscheid is te maken door sterke emergentie toe te kennen aan systemen waarbij de bouwstenen hun onafhankelijkheid hebben verloren door een bestendige relatie met elkaar aan te gaan, waarbij totaal andere en nieuwe eigenschappen naar voren komen dan die van de oorspronkelijke componenten zoals bij molecuulvorming, groei van levende wezens in die biologie en artefacten. (2020): 'Emergent Properties', Stanford Encyclopedia of Philosophy Verschil met zwakke emergentie is dan dat een sterk emergent resultaat niet voorspeld kan worden vanuit de eigenschappen van die componenten alleen. Het emergente resultaat wordt in de natuur vaak bij toeval ontdekt of er is sprake van een uitvinding, zoals vaak bij artefacten, die vaak weer gebaseerd zijn op ontdekkingen). Zo zijn verschillende vormen van het element koolstof ontdekt: grafiet, diamant, fullerenen. Dat betekent niet dat het verschijnsel niet-reductionistisch verklaard zou kunnen worden. Bij artefacten is dat juist vanzelfsprekend wèl het geval ( de werking van een computer kan immers prima worden uitgelegd). Ook de verschillende verschijningsvormen van koolstof zijn prima verklaarbaar. Een verder onderscheid is dat zwakke emergentie relatief ongevoelig zijn voor kleine verstoringen, zoals een steen in een draaikolk werpen, iemand die niet meedoet aan de wave in een stadion, terwijl sterke emergentie daar juist erg gevoelig voor is, eigenschappen van sterke emergentie superveniëren boven de eigenschappen van de bouwstenen, zoals variatie in de genen of een fout in de software.
Fenomenologische theorie Het gedrag van emergentie kan vaak voldoende beschreven worden door mechanismen die op de schaal van het verschijnsel zelf een rol spelen zonder in details te treden van eigenschappen van de afzonderlijke bouwstenen. Daarmee wordt emergentie een fenomenologische theorie. Voorbeelden zijn: In de sociologie: gedrag van mensenmassa's zoals spreekkoren, de wave in een stadion, paniek In de biologie: kuddegedrag, V-vormige ganzenvlucht, mierenkolonie. in de fysica is voor de eigenschappen van een gas (druk, temperatuur, volume) geen kennis nodig van de aard van de moleculen waaruit het gas is opgebouwd. Thermodynamica is dus in tegenstelling tot statistische mechanica een fenomenologische theorie.