Emergenz - was ist das?

[annihilator]

Das Bewusstsein, die Wärme eines Körpers, die "Näße" einer Flüßigkeit sind z.b. Emergenzen.
Es sind neue Systemeigenschaften, die plötzlich mit wachsender Komplexität unvorhersehbar eintreten und die sich nicht aus den Eigenschaten der Einzelteile ableiten lassen.
Ein einzelnes H2O-Molekül ist nicht naß, noch gefroren, noch gasförmig, erst in Verbindung mit vielen anderen H2O-Molekülen treten diese Phänomene auf.
Betrachtet man nur ein einzelnes Atom/Molekül kann es sich mehr oder weniger schnell bewegen oder ruhen. Es hat eine kinetische Energie.
Betrachtet man sehr viele Teilchen, z.b, in einem Gas, die sich ungeordnet bewegen, ensteht Wärme, eine neue Art der Energieform. Denn die kin. Energie eines Teilchens kann man einfach entziehen, Wärmeenergie aber nicht.
Ein einzelnes Neuron ist so dumm wie Brot, ein komplexes System kann Daten verarbeiten, ein noch komlexeres erzeugt dann Bewusstsein.

Woher kommen diese neuen Eigenschaften? Wie lässt sich ihr plötzliches Auftauchen (physikalsich) erklären? Gibt es (ein) Naturgesetz(e), die/das Emergenz hervorbringen? oder enstehen diese neuen Systemeigenschaften zufällig?

 

[forcemagick]

ich denke doch mal, dass es zu emergenz auch naturgesetze gibt... gewisse stoffe weisen ja immer wieder verläßlich bestimmte emergente eigenschaften auf....

gerade im bereich bewußtsein finde ich emergenz sehr interessant.... wie du schon sagst das einzelne neuron ist reichlich dumm... es kann halt was es kann und tut was es tut..... das gehirn als netzwerk aus neuronen bringt bewußtsein hervor.... doch viele menschen zusammen .... eine gesellschaft z.b. oder die menschheit an und für sich scheint weniger zu sein als die summe ihrer teile.... der mob ist dümmer als seine mitglieder.... so als stünde ein schritt hin zur emergenz noch aus..

gibt es schwellenwerte für emergenz?

 

[Lyle]

Betrachtet man sehr viele Teilchen, z.b, in einem Gas, die sich ungeordnet bewegen, ensteht Wärme, eine neue Art der Energieform. Denn die kin. Energie eines Teilchens kann man einfach entziehen, Wärmeenergie aber nicht.

Entzieh den Molekülen des Gases die kinetische Energie und es kann keine Energie in Form von Wärme mehr übertragen werden.
Außerdem dürftest Du den Physiknobelpreis für das Erreichen des absoluten Nullpunktes der Temperatur erreichen

Woher kommen diese neuen Eigenschaften? Wie lässt sich ihr plötzliches Auftauchen (physikalsich) erklären?

In Bezug auf die physikalischen Fragen kann ich Dir sagen, dass sich die Eigenschaften der makroskopischen Systeme durchaus aus denen der mirkroskopischen Erklären lassen. Die Eigenschaften eines Gases lassen sich aus denen eines einzelnen Moleküls berechnen. Es gibt dazu ein spezielles Fachgebiet, dass sich "statistische Thermodynamik" nent. Ausgehend von einer einzigen mikroskopischen Größe, der "Zustandssumme", kann man mit dieser so ziemlich alle Eigenschaften berechnen, damit kommt man auch auf die Temperatur und damit zusammenhängende makroskopische Gegebenheiten.

Achja. Was ist nass eigentlich für eine Eigenschaft?[/quote]

 

[streicher]

Lyle: Achja. Was ist nass eigentlich für eine Eigenschaft?

Legen wir es mal lieber unter eine Schublade von "Empfindungen" ab.

 

[annihilator]

naß meinte ich eigentlich gar nicht, sondern flüßig.

Entzieh den Molekülen des Gases die kinetische Energie und es kann keine Energie in Form von Wärme mehr übertragen werden.
Außerdem dürftest Du den Physiknobelpreis für das Erreichen des absoluten Nullpunktes der Temperatur erreichen

genau das meinte ich ja, dass das eben nicht geht! also ist Temperatur eben nicht einfach die vielen kin. Energien vieler Teilchen zusammen, auf jeden Fall nicht von der Qualität der Energie her.
Vielleicht ist das auch kein besonders gutes Beispiel für Emergenz, wenn man wirklich anhand eines Teilchens die Eigenschaften des Gases vorhersagen kann. Aber es gibt sicher auch Beispiele bei denen der Reduktionismus nichts bringt, z.B. Bewusstsein, selbst wenn man alles über die Funktionsweise eines Neurons weiß, wird man nicht erklären können wie viele miteinander Vernetzt, Bewusstsein erzeugen können.

Und warum enstehen trotz 2. Hauptsatz immer komplexere Zustandsformen der Materie (Lebewesen). Zuerst verbanden sich irgendwelche Proteine und Aminosäuren (oder solches Zeugs, ich bin kein Biologe) zu Makromolekülen, die sich selbst reproduzieren können (Einzeller). Warum tut Materie das? Sich zu komplexen Nanomaschinen zusammen lagern, die sich selbst reproduzieren?
Dieses "Leben" und Reproduzieren sind doch wirklich emergente Eigenschaften, oder könnte man, wenn man nur einen großen Haufen Atome vor sich liegen hat sagen,dass und warum sie sich zu solchen Systemen zusammenlagern und welche Eigenschaften diese Systeme haben werden?

Und das war ja noch nicht alles! Es enstanden ja immer kompliziertere Daseinsformen von Materie! Falls es ein Größe für Komplexität geben sollte, mit welcher Zahl müsste man die Komplexität eines Einzellers multiplizieren um zu der eines Menschen zu gelangen?

Ist Komplexität einfach das Gegeteil von Entropie? Der zweite Hauptsatz der Termodynamik gilt doch nur global, oder? D.h., wenn die Entropie irgendwo lokal abnimmt (z.B. Leben), dann muss wo anders also die Entropie mindestens um den gleichen Betrag zunehmen.
Ist das richtig? oder versteh ich da was flasch?

 

[Lyle]

@ Annihilator
Hmm wie Antworte ich Dir jetzt am besten. Ich denke ich werd jetzt mal was machen, was ich selten tue, ich werde nämlich persönlich. Ich kenn mich mit Thermodynamik relativ gut aus, ich hab nämlich Chemie studiert und dabei wird man mit dem Kram recht ausführlich bekannt gemacht. Eines was ich dabei gelernt habe, ist, dass Du vorsichtige sein solltest, Entropie mit Begriffen wie "Unordnung" oder "Komplexität" zu verbinden. Sie ist eine Größe mit der man unter Berücksichtigung des Kleingedruckten ganz gut rechnen kann, aber wenn Du sie Die bildlich vorstellen willst, z.B. als Unordnung dann wirst Du früher oder später in Schwierigkeiten kommen, obwohl sie viel damit zu tun hat.
Was Du über den 2. Hauptsatz geschrieben hast ist prinzipiell zwar nicht falsch, aber es ist nur ein Teil der Wahrheit. Es gibt auch dort das hübsche Kleingedruckte, das man berücksichtigen muss. So ist dieser Satz zum Beispiel nicht immer anwendbar.

Oder anders ausgedrückt: Das ganze ist wesentlich komplizierter als Otto-Normalverbraucher es in der Regel mitkriegt.

Was Deine Fragen zur Entwicklung des Lebens angeht. Ich kann sie Dir nicht beantworten, denn ich glaube nicht daran. Dass sich aus den einzelnen Atomen so einfach nach und nach die ersten Lebewesen gebildet haben, die sich reproduziert haben, und sich dann schließlich zum Menschen hochentwickelt haben sollen, stellt für mich keine akzeptable Beschreibung für die Entstehung des Lebens dar. Ich glaube ja auch nicht dass ich nur einen Schrottplatz in die Luft jagen muss und aus den Trümmern entsteht per Zufall eine Boeing 747.

 

[Hugo de la Smile]

von argumentam ad personam (zugesagt) über ad verecundiam(zu recht) hin zu falschem reductio ad absurdum(zu schade).

 

[agentP]

Ich glaube ja auch nicht dass ich nur einen Schrottplatz in die Luft jagen muss und aus den Trümmern entsteht per Zufall eine Boeing 747.

Eigentlich sollte ausgerechnet ein Chemiker wissen, daß damit Äpfel und Birnen verglichen werden und beinahe die komplette Forschung seit ca. 1953 ignoriert wird ebenso wie die Tatsache, daß die Chemie nun mal nicht nur angewandte Statistik ist.

 

[Lyle]

Eigentlich sollte ausgerechnet ein Chemiker wissen, daß damit Äpfel und Birnen verglichen werden.

Was hast Du denn dagegen, Äpfel und Birnen miteinander zu vergleichen? Das kann manchmal sogar sehr sinnvoll sein.
Ich habe zwei Gegebenheiten nebeneinander gestellt, bei denen in beiden Fällen aus kleineren Einheiten durch äußere, nicht zielgerichtete Einwirkung eine größere, wesentlich komplexere, funktionstüchtige Einheit entsteht. Damit, dass eine dieser Gegenheiten ausgesprochen unwahrscheinlich ist, habe ich nahegelegt, dass für mich die andere ebenfalls unwahrscheinlich ist. Einen darüber hinausgehenden Vergleich, habe ich nicht gezogen

 

[annihilator]

@Lyle
Wie stellst du dir denn die Enstehung des Lebens vor? Und wie erklärst du tatsache, dass es Menschen gibt?
Um auf deinen Schrottplatz-Vergleich zu kommen: Es ist doch viel wahrscheinlicher, dass durch irgendeinen Mechanismus/Zufall/Selbstorganisation oder Was-weiß-ich sich erstmal Einzeller entwickelt haben, als gleich ein ganzer Mensch! Das wär ja als würde man einen Schrottplatz in die Luft jagen und aus den Trümmern würde sich zufällig die komplette ISS zusammensetzen, da glaub ich lieber an eine Boing, die sich dann langsam zur ISS entwickelt.
Hat deine Theorie des Lebens einen Namen? oder hast du gar keine und lehnst die Evolutionstheorie einfach ab?

Könntest du vielleicht näher auf das Kleingedruckte eingehen? Ich lese nämlich in allen Lexika dieselbe Definition für Entropie:

z.B. aus Wikipedia

Die Entropie (zu altgr. entrépein, "umkehren") ist ein Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit eines Systems.

eine ganz gute Seite zur Entropie ist http://www.madeasy.de/2/entropie.htm

So ist dieser Satz zum Beispiel nicht immer anwendbar.

meinst du den 2.Hauptsatz? seit wann sind Naturgesetze "nicht immer anwendbar"? ist der Energieerhaltungssatz vielleicht auch ab und zu nicht anwendbar?
Könntest du vielleicht bei deiner evtl. Antwort etwas konkreter statt persönlicher werden?

der Otto-Normalverbraucher

 

[astraton2001]

also dazu fällt mir jetzt spontan das stichwort ursuppe ein...

aber wegen dem explodierenden schrottplatz: die wahrscheinlichkeit ist zwar äusserst gering das eine boing daraus wird,
aber nehmen wir einfach an es ist ein flugplatz-schrottplatz, dann sollte die wahrscheinlichkeit, das man alle benötigten teile für ein funktionstüchtiges flugzeug dort finden kann, sogar als ziemlich hoch sein. es fehlt dann halt nur noch derjenige der das teil zusammensetzt. wer immer das sein mag.
aber bei atomen oder molekülen geschieht so etwas schon auf grund derer eigenschaften.
es haben sich ja auch noch nie atome von selbst zu boings zusammengesetzt.
aber ein gewisses ziel haben sie schliesslich alle.
der eine geht mit dem gerne verbindungen ein, der andere mit diesem.
ein komplexe system von 'wer kann mit wem'

und wenn erst wasser da ist, ist eigentlich schon alles möglich.

aber um ein menschen zu bilden, dürfte es halt länger dauern, aber auch da dürfte es eine art automatismus geben.
ich sage nicht, das ein banker mit krawatte aus einer hand
atome entsteht obwohl wenn ich mir manche krawatten-träger so ansehe, bestehen sie wohl noch aus erheblich weniger.

nur der mensch selbst denkt, das er etwas besonderes sei.

es wäre also letztendlich interessanter zu fragen, wer hat den atomen die eigenschaften gegeben, das sie sich zusammenraffen und neue struckturen / lebensformen / oder was auch immer bilden, wenn sie die möglichkeit dazu haben.

 

[Lyle]

@ annihilator
Ok. Wie Du willst
Wikipedia ist doch schon mal ne gute Idee
Unter Entropie (Physik) findest Du dort folgenden Artikel
http://de.wikipedia.org/wiki/Entropie_(Physik)
Dort wird zunächst mal beschrieben, dass Entropie sowohl mikroskopisch as auch makroskopisch definiert werden kann. Das wäre sozusagen schon mal der erste Teil des Klein gedruckten. Im makroskopischen lautet die Definition

dS = dQrev / T

Das d gibt an das es sich um ein Differential handelt, oder genauer gesagt um ein totales Differential, das hat Auswirkungen auf spätere Berechnungen. Anders ausgedrückt, es handelt sich um bei Entropie um eine Zustandsfunktion (Fürs Kleingedruckte). Mit Qrev ist die Wärmeübertragung bei reversiblen Prozessen gemeint. Jetzt muss erst nochmal ins kleingedruckte, was ein reversibler Prozess ist. Ach ja, mit T ist natürlich die absolute Temperatur genannt. Bevor ichs Vergesse, Du gehst dabei z.B. immer davon aus das die Reihenfolge partieller Ableitungen egal sein sollte. Ich mein das ganze ist als das Gesetz von Schwarz bekannt, bin mir aber nicht ganz sicher.
Wenn Du auf Ordnung kommen willst, solltest Du aber vielleicht zur mikroskopischen Definition übergehen. Dabei musst Du Dich aber zunächst entscheiden, ob Du mit einem mikrokanonischen, einem makrokanonischen, oder einem kanonischen Ensemble arbeiten willst. Diese unterscheiden sich darin, in wie weit Austausch von Energie und oder Materie mit der Umgebung möglich. Ausgehend von dieser Wahl unterscheiden sich auch die Definitionen der Entropie, oder besser sie werden allgemeiner, d.h. das makrokanonische Ensemble enthält das kanonische und dieses wiederum das mikrokanonische. Nur in letzterem gilt die berühmte Boltzmann Formel zur Beschreibung der Entropie

S = k * ln(W)
.
Wobei W die Zahl der Mikrozustände angibt. Vorher musst Du allerdings noch ins Kleingedruckte das a-priori-Postulat und die Ergodenhypothese aufnehmen. Erstere besagt, dass Zustände mit gleicher Energie gleich wahrscheinlich sind und die Konsequenz aus letzterem ist, dass das Ensemblemittel gleich dem Zeitmittel ist. Einfacher gesagt, wenn Du über viele Kopien eines Systems in verschiedenen Zuständen mittelst, dann erhältst Du das gleiche Ergebnis, wie wenn Du ein System über eine lage Zeit mittelst.
Im kanonischem System hingegen ist obige Definition nicht mehr anwendbar, sondern man muss auf die allgemeinere

S = - k * ∑(i) [p(i) * ln(p(i)] (Ist blöd dargestellt, sieh am besten Mal in Wikipedia nach)

ausweichen. Allerdings wird auch diese nicht mehr anwendbar sein, wenn man zum Makrokanonischem Ensemble wechselt.
Bei alldem solltest Du auch nicht vergessen, dass Du mit diesen Formeln recht komplizierte mathematische Berechnungen durchführen musst, und die haben wieder ihre eigenen Gesezte, die berücksichtigt werden müssen.
Zum Schluss noch ein kleines Gedankenexperiment. Stell Dir einen Behälter vor, der durch eine Wand in zwei Teile geteilt ist. In diesem Behälter befindet sich ein Gas. Entfernst Du die Zwischenwand, so mischen sich die Moleküle von der einen Seite mit denen der anderen, es findet jedoch keine Erhöhung der Entropie statt, da die Moleküle ununterswcheidbar sind. Nun wiederhole das Experiment mit einem kleinen Unterschied. Markiere die Moleküle auf einer Seite Wenn Du die Zwischenwand entfernst geschieht wieder genau das gleiche wie vorher. Die Moleküle vermischen sich, physikalisch gibt es eigentlich keinen Unterschied zum ersten Mal. Allerdings steigt in diesem Fall die Entropie an, da die Moleküle jetzt unterscheidbar sind. Und nun stell Dir das Experiment nochmal vor, allerdings mit zwei Beobachtern, der eine kann die Markierung wahrnehmen, der andere nicht, für ihn sind sie ununterscheidbar. Was geschieht dann?

Zum zweiten Hauptsatz: Versteh mich nicht falsch, ich will nicht sagen, dass der zweite Hauptsatz nicht gilt. Aber wenn Du chemische Reaktionen beschreiben willst, dann musst Du dabei, insbesondere bei irreversiblen Prozessen die Zeit berücksichtigen, nur über die trifft der zweite Hauptsatz keine Aussage. Für die "normale" Thermodynamik existiert die Zeit überhaupt nicht, oder besser gesagt, man hat unendlich viel Zeit, was allerdings nicht so ganz der Realität entspricht. Deshalb wurde hier eine Spezielle Disziplin der Thermodynamik entwickelt. Das ganze nennt sich dann z.B. "Thermodynamik nichtlinearer irreversibler Prozesse". Allerdings ist das was, was für nen Otto-Normalchemiker wie mich ne Nummer zu kompliziert ist, deswegen will ich gar nicht erst versuchen dazu was zu erklären.

Ach ja meine Theorie. Auch wenns eigentlich nicht so wichtig ist, ich bin wohl das, was man unter einem Kreationisten versteht. Zu dem Thema gibts hier allerdings schon genug Threads.

Wenn Du an einer kritischen Auseinandersetzung mit Evolution interessiert bist, kann ich Dir das Buch "Darwin im Kreuzverhör" von Johnson empfehle ( download hier ) empfehlen. Bevor hier jemand ne falsche Meinung kriegt, das Buch enthält nicht das übliche Kreationistenzeug, es wurde nicht von einem typischen Kreationisten geschrieben und es propagiert keine Schöpfung. Der Autor wird von führenden Evolutionswissenschaftlern ernstgenommen und das Buch befindet sich auf einem Niveau, dass deutlich über meinem Flugzeugvergleich liegt.

 

[annihilator]

@Lyle
Danke für schnelle und informative Antwort!
Das ist wirklich alles sehr interessant, vorallem da die Entropie in so vielen unterschiedlichen Bereichen (Mathematik, Physik, Chemie, Biologie) sich so unterschiedlich auswirkt und auch mit ihr so unterschiedlich gerechnet wird.
Auch das:

Es gib bisher keine Theorie, welche die Irreversibilität makroskopischer Erscheinungen, ausgedrückt durch den Entropiebegriff, aus den bekannten Gleichungen der Mechanik oder der Quantenmechanik ableiten kann.

und dass Entropie, bzw. der 2. Hauptsatz, das einzige physikalische Gesetz ist, dass eine Richtung des Zeitpfeils verlangt, finde ich auch sehr erstaunlich.
Wenn ich jetzt dann bald viel Zeit habe, wenn das Abi vorbei ist, werd ich mich an dein Kreuzverhör machen und die Bücher über Caos, Anti-chaos, Selbstorganisation, Komplexitätstheorie lesen (meine Gemeindebibliothek ist auf dem Gebiet echt gut ausgestattet), vielleicht versteh ich dann ein bisschen mehr.

 

[morgenroth]

Ich glaube ja auch nicht dass ich nur einen Schrottplatz in die Luft jagen muss und aus den Trümmern entsteht per Zufall eine Boeing 747.

Nein, es ensteht natürlich keine Boing 747, aber es ensteht etwas. Und wenn dieses etwas Du bist, oder das in dem du lebst, wirst du es anerkennen müssen - zumal du keine Alternativen hast. So ist das halt mit uns und unserer Welt. Es hat geknallt und wir sind entstanden. Wenn etwas anderes entstanden wäre, würde dieses "Andere Etwas" sich auch fragen : warum und wieso?
Es ist gerade so, als würdest du einen Stein werfen und dich dann für alle Ewigkeit fragen, warum er gerade da gelandet ist.[/u]

Im übrigen halte ich - wenn ich die Metapher mal so übernehmen darf- die Menschen für keine Boing 747. Dann doch eher für ein Fiat "Panda".

 

[trism3gist]

Was für eine schöne Diskussion.Was ist denn nun eigentlich EMERGENZ?
Vielleicht spielt das aber auch gar keine Rollle,denn Warum Wasser naß ist oder z.B.LEIM KLEBT hat meines Erachtens hauptsächlich mit den infiniten Eigenschaften von Proton +Neutron+Elektron und den zwischen ihnen wirkenden Kräfte und Teilchen wie Gluonen ,Bosonen und der ENERGIE die diese haben,zusammen
Das wir uns zu solcher Komplexität entwickelt haben,oder besser gesagt -überhaupt entwickelt haben war nur möglich weil gerade diese Energien genau den Wert haben ,den sie haben.Wäre es auch nur geringfügig anders,hätte zum Beispiel das Elektron ein Milliardstel weniger Ladung ,würden wir hier keine Diskussion führen weil das ganze Universum so nicht möglich wär.
Bleibt noch die Frage WARUM ist Materie ,RAUM ,Zeit...und wo sind die abhandengekommenen ca.96% Mat ,die wir nicht finden können? :gruebel: