Emergenz, ein Scheinphänomen oder doch real?

Hallo zusammen,

um zu erklären was es mit Emergenz auf sich hat, möchte ich gleich mit einem Beispiel beginnen.
Sicher hat der ein oder andere schon mal was von "Conways Spiel des Lebens" gehört. Dabei handelt es sich um einen simplen Zellulären Automaten.
Das von John Conway 1970 erfundene "Spiel" lässt sich sowohl virtuell als auch physisch mit Spielsteinen oder Stift und Blatt Papier verwirklichen.
Da es aber, je nach Startbedingung gewaltige Ausmaße annehmen kann, ist die Virtuelle Variante die deutlich schnellere und pragmatischere Wahl.

Ein am Computer Simuliertes Beispiel:



Kommen wir zu den Regeln.
Diese sind einfacher als man denkt, da es nur 4 Grundregeln gibt die man beachten muss:

"Lebende" Zellen werden hier grün dargestellt, "tote" Zellen weiß.

1. Lebende Zellen mit weniger als zwei lebenden Nachbarn sterben in der Folgegeneration an Einsamkeit.



2. Lebende Zellen mit zwei oder drei lebenden Nachbarn überleben in der Folgegeneration.



3. Lebende Zellen mit mehr als drei lebenden Nachbarn sterben in der Folgegeneration an Überbevölkerung.



4. Tote Zellen mit genau drei lebenden Nachbarn werden in der Folgegeneration neu geboren.



Wie sich die Zellen entwickeln werden hängt ganz davon ab, welche Startkonfiguration man wählt. Einige der Strukturen lösen sich bereits nach ein paar Zyklen auf andere weiten sich über hunderte Zyklen lang auf, bis sie sich auflösen oder in einer Dauerschleife gefangen bleiben. Bei bestimmten Mustern lassen sich jedoch Selbstreplizierende oder wandernde Konfigurationen erzeugen die sich bsw. über das Spielfeld bewegen und andere Strukturen beeinflussen können.

Wer Lust hat mal selbst etwas herumzuspielen, kann das hier tun.
https://playgameoflife.com/

Und wer sich für das Spiel des Lebens weiter interessiert, hier ein Video dazu.
Wer nochmal die Regeln anschauen möchte, der kann auf Minute 4:38 spulen. Dort werden sie nochmal ausführlich behandelt.

Das Spiel des Lebens | Mathewelten | ARTE

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Dieses kurzes Video (dauert nur 1:30) zeigt, wie jemand das Spiel des Lebens im Spiel des Lebens selbst erstellt hat.

Life in life

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Es ist bemerkenswert wie komplex die Strukturen werden können. Tatsächlich lassen sich sogar wenn der Platz nur groß genug ist, richtige Schaltkreise konstruieren.
Es ist sogar erwiesen, dass man theoretisch alle Rechenoperationen die man an einem Computer ausführen kann auch mit dem Spiel des Lebens ausführen könnte. Ein derartig simulierter Computer könnte, sofern er die nötige Größe hätte, alles das machen was auch ein moderner Computer zu machen vermag. Obwohl noch immer alles nur auf den vier Grundspielregeln basiert, bekommen wir es mit einer wachsenden Komplexität zu tun, bei der es immer schwieriger wird ihr noch richtig folgen zu können.

Was wäre denn, wenn wir -wie im Video oben- das Spiel des Lebens im Spiel des Lebens selbst erstellen, aber diesmal dem darauf simulierten Spiel eine neue Grundregel mitgeben würden?
Sagen wir, wir bauen noch eine völlig neue fünfte Grundspielregel mit ein und lassen nun auf dieser Grundlage eine ganze Rechenmaschine bauen.
Wir hätten es dann mit einer ersten Emergenten Stufe zu tun. Das Grundspiel mit seinen festen vier Regeln erschafft eine Version von sich selbst, die wir aber mit einer fünften Regel ergänzen und auf derer Basis wir dann ein neues "Spielfeld" erschaffen auf der dann später die besagte Rechenmaschine (Computer) laufen soll.


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Zurück im echten Leben haben wir es ebenfalls mit einer Menge emergenten Eigenschaften zu tun, die sich scheinbar nur durch Zusammenspiel der Einzelteile sinnvoll herleiten lassen.
Wasser etwa hat einen Siedepunkt von 100 Grad und einen Schmelzpunkt von 0 Grad. Beide Phänomene brauchen aber die Anwesenheit weiterer Wassermoleküle.
Mit nur einem Wassermolekül allein Aussagen über Schmelz- und Siedepunkt machen zu können, wird nicht wirklich gut funktionieren. Erst wenn mehrere Moleküle miteinander wechselwirken, lassen sich die Aggregatzustände; fest, flüssig und gasförmig definieren.
Die Interaktion von Molekülen (z.B. Bildung von Kristallen) könnte man wie im Beispiel oben als eine neue "fünfte Grundregel" betrachten, die in das Physikalische System neu dazu implementiert wurde.

Ein anderes Beispiel: Kupfer als rosarotes Metall und Iod als flüchtiges violettfarbenes Halogenid reagieren zusammen zu Kupferiodid einem farblosen Salz.
Die Eigenschaften dieser Verbindung unterscheiden sich signifikant von den Ausgangsstoffen. Das Kupferiodid besitzt u.a. keine elektrische Leitfähigkeit mehr, ist nicht flüchtig, besitzt optische Transparenz, bildet einen Elektrischen Dipol aus und geht mit anderen Stoffen völlig neue Reaktionen ein.


Von allen Emergenten Eigenschaften dürfte die spannendste aber wohl das Menschliche Bewusstsein sein.
Zusammengesetzt aus einem Milliardenschweren Netzwerk an Neuronen, ist die Vernetzung dieser entscheidend für das, was unser "Ich" ausmacht.
Das Neuron selbst als kleinste Einheit ist für sich gesehen auch schon eine Art Lebewesen. Zwar kann es nicht mehr selbstständig überleben, wie etwa Bakterien das können, doch das braucht es auch gar nicht mehr. Sämtliche Zellen des Menschlichen Körpers zu den auch die Neuronen zählen haben ihre eigenständige Überlebensfähigkeit aufgegeben, um den Schwerpunkt ihrer Arbeit voll auf den erhalt des gesamten Organismus zu konzentrieren.
Die einzelne Zelle selbst schon ein Emergentes Produkt aus unzähligen Biomolekülen, steht mit anderen Zellen dauerhaft in kontakt um so die nächste Emergente Stufe, -den Organismus zu bilden.

Reden Wissenschaftler und Philosophen über das menschliche Bewusstsein, dann kommen die Grundbausteine, also die Elementarteilchen nur eher selten zur Sprache.
Aber warum auch?
Es ist in vielen Fällen deutlich schlüssiger die Systeme aus höheren Emergenten Stufen heraus zu betrachten.
-Ein Biologe muss kein Chemiker oder gar Kernphysiker sein, um etwa die Rolle der DNA in der Evolution verstehen zu können.
-Ein Meteorologe muss kein Astrophysiker oder Chemiker sein, um zu verstehen wie sich Sonne und Wasser auf das Wetter auswirken.

Die entscheidende Frage aber ist, ob der Kernphysiker, der sich ja mit den mit den Grundlagen aller darauf aufbauender Prozesse beschäftigt (theoretisch) in der Lage wäre, ohne explizites Vorwissen von Evolution oder Meteorologie diese Problemlos ebenfalls beschreiben könnte?
Und genau hier liegt der Hund begraben, denn es gibt auch Kritiker die das infrage stellen und davon ausgehen, dass das angebliche Auftreten von Emergenz lediglich ein Problem mangelnder Information und Verständnis sei. So lassen sich sehr wohl die Eigenschaften eines komplexen Systems durch seine einfachsten Grundprinzipien Komplett beschreiben.
Am Beispiel vom Spiel des Lebens wäre die fünfte Regel eben keine neue Eigenschaft im Sinne einer real existierenden neuen Spielregel, sondern ließe sich Problemlos aus den vier Grundregeln ableiten. Wollte ich also den gebauten Computer in der "5 Regel Simulation" komplett beschreiben, sollten die vier Grundregeln völlig ausreichend sein, ohne Wissen für die fünfte Regel kennen zu müssen.
Auch unser Bewusstsein ließe sich damit völlig problemlos aus einer rein Materialistischen Weltsicht heraus ableiten, in der wir nur (rein theoretisch) durch das beschreiben der bekannten Physikalischen Gesetzte und der Elementarteilchen problemlos Aussagen über z.B. Qualia treffen könnten, ohne weitere Grundannahmen machen zu müssen.


Was ist eure Meinung dazu, ich würde mich sehr über eine lebhafte Diskussion freuen.

SagittariusB schrieb:Was wäre denn, wenn wir -wie im Video oben- das Spiel des Lebens im Spiel des Lebens selbst erstellen, aber diesmal dem darauf simulierten Spiel eine neue Grundregel mitgeben würden?
...
Wollte ich also den gebauten Computer in der "5 Regel Simulation" komplett beschreiben, sollten die vier Grundregeln völlig ausreichend sein, ohne Wissen für die fünfte Regel kennen zu müssen.

Wie meinst du das: "neue Grundregel mitgeben"?
Die 4 Grundregeln können nur dann ausreichend sein, wenn sie die 5. Regel selbst "erfinden".
Wenn du sie von außen reingibst, ist das quasi "Gott".

@stefan33

Beim Spiel des Lebens ist es notwendig, Gott zu spielen, denn die Startbedungungen müssen immer von einem Spieler "Gott" erstellt werden.
Natürlich lässt sich nicht ausschließen, das auch eine zufällige Startkonfiguration zu solch einem komplexen Ergebnis führen würde. Quasi wie ein Urknall, der dann selbstständig sein eigenes Universum aufbaut. Gerade bei einem unendlich großen Spielfeld, könnten vielleicht auf lange Frist alle möglichen Konfigurationen möglich werden.

In den Beispiel oben ist zwar die fünfte Regel von "Gott" erschaffen doch das spielt eigentlich keine Rolle, da es keinen Unterschied macht ob die Regel nun gewollt oder Zufall ist. Sobald die Startkonfiguration fest steht wird von außen nicht mehr in das Spiel eingegriffen.

Die Fragestellung ist eher eine andere. Hier mal ein Beispiel:
Stell dir vor in der Simulation existiert eine KI die dort ihre Welt erforschen würde. Für sie gäbe es fünf Spielregeln, die ihr Welt formen würden.
Für uns als "Gott" der alles von außerhalb betrachtet gäbe es nur vier Spielregeln, eben die, die für die Simulation verantwortlich sind.
Die fünfte Regel ist ja aus den vier Regeln hervorgegangen aber das weiß die KI ja nicht. Für sie ist die fünfte Regel ein fester Bestanteil ihrer Welt und deswegen auch völlig real.

Die Frage ist, ob wir die fünfte Regel auch als real annehmen sollten, denn ohne sie könnte die Simulation in der Form nicht mehr funktionieren.

Hmm ...
Mir ist immer noch nicht klar, wie die 5. Regel zustande kommt.

Entweder es ist möglich, dass sie aus den 4 Regeln "von selbst" entsteht, durch Kausalzusammenhang, dann ist es keine echte, neue Regel, sondern steckt in den 4 Regeln inhärent drin.
Oder es ist eine von den 4 Regeln unabhängige, wirklich neue Regel, entweder von Gott oder durch "Mutation" hinzugefügt. Das würde ich nicht als Emergenz bezeichnen.

@SagittariusB

Die Frage ist schon etwas knifflig, weil was genau ist nur Schein und was wirklich real? Die Frage ist nicht, ist es materiell? Wobei auch das schnell in Rauch aufgehen würde, wenn man etwas tiefer bohrt.

Hier wird wo eine Analogie impliziert, die Person vor dem Spiegel ist real, die im Spiegel nur Schein.

Drehen wir es mal ein wenig, ich frage mich und nicht nur mich, wo sind die Naturkonstanten gespeichert? Sie müssten ja wo als "Regeln" in der Raumzeit selber gespeichert sein und dann dort auch die "Regeln" für die Raumzeit selber.

Es ist nun so, es gibt einen mathematischen Beweis, dass ein ausreichend komplexes System nicht aus sich heraus vollständig beschrieben werden kann. Frage ist, was bedeutet das, was hat das für Folgen?

Wo sind die ersten vier Regeln gespeichert?

Die letzte Frage ist mehr rhetorisch, also ich sage mal, ist real, klar gibt es Emergenz, sie ist aber nicht unabhängig von dem was eben schon ist. Aber Liebe, Wahrnehmung, Sehen, Hören, Fühlen eben allgemein, all das ist real, ...

stefan33 schrieb am 27.03.2025:Hmm ...
Mir ist immer noch nicht klar, wie die 5. Regel zustande kommt.

Theoretisch kann man das ganze noch viel weiter spinnen. Vielleicht hast du schon mal was von der Simulationshypothese gehört?
Also das unser gesamtes Universum nur eine gewaltige Simulation ist.
Da das Spiel des Lebens in der Theorie mit unendlich viel Rechenleistung theoretisch alles Simulieren kann was auch ein Computer kann, wäre es durchaus denkbar unser gesamtes Universum zu Simulieren, vorausgesetzt es ist deterministisch beschreibar, da das Spiel des Lebens selbst ein rein deterministisches Spiel ist.

Aber nur mal angenommen, es wäre möglich. Dann würden alle unsere Naturgesetzte und damit auch du und ich nur aus vier Grundregeln bestehen.
Könnten wir einen Menschen nur anhand der vier Grundregeln beschreiben ohne die Naturgesetze zu beachten?
Denn wenn die vier Grundregeln ausreichend wären, dann sollte selbst das Bewusstsein mit nur vier Regeln beschreibar sein.

stefan33 schrieb am 27.03.2025:Entweder es ist möglich, dass sie aus den 4 Regeln "von selbst" entsteht, durch Kausalzusammenhang, dann ist es keine echte, neue Regel, sondern steckt in den 4 Regeln inhärent drin.

Das stimmt schon. Die fünfte Regel ist vollkommen auf die vier Regeln angewiesen. Verschwindet eine von den vier Grundregeln, könnte auch die fünfte nicht mehr bestehen, die anderen drei aber schon.
Damit ist die fünfte Regel zumindest niemals so real wie es die vier anderen sind.

stefan33 schrieb am 27.03.2025:Oder es ist eine von den 4 Regeln unabhängige, wirklich neue Regel, entweder von Gott oder durch "Mutation" hinzugefügt. Das würde ich nicht als Emergenz bezeichnen.

Okay. Aber was würdest du aus deiner Sicht als Emergenz bezeichnen?
Hatte ja oben noch ein Beispiel mit dem Wasser. Wie sieht es damit aus?

nocheinPoet schrieb:Drehen wir es mal ein wenig, ich frage mich und nicht nur mich, wo sind die Naturkonstanten gespeichert? Sie müssten ja wo als "Regeln" in der Raumzeit selber gespeichert sein und dann dort auch die "Regeln" für die Raumzeit selber.

Hmm. Vielleicht ist es wie mit einem Videospiel. Die Regeln selbst wird man im Spiel nicht finden sondern sie existieren nur außerhalb. Der Programmcode wird der Videospielfigur für immer verwehrt bleiben, nur ihre Funktion könnte er ergründen.
Zurück im Real Life, gibt ja die Hypothese mit den Multiversen und den unterschiedlichen Naturkonstanten. Damit will man ja auch das Problem mit der Feinabstimmung umgehen.

Hmm naja; Streng genommen würde das deine Frage aber auch nicht klären, sondern nur in eine andere Ebene verschieben ;)

nocheinPoet schrieb:Es ist nun so, es gibt einen mathematischen Beweis, dass ein ausreichend komplexes System nicht aus sich heraus vollständig beschrieben werden kann. Frage ist, was bedeutet das, was hat das für Folgen?

Kannst du mir sagen, wie der heißt?

@SagittariusB

Ist recht bekannt, nennt sich Unvollständigkeitssatz und wurde so 1931 von österreichischen Mathematiker Kurt Gödel formuliert. Die Kernaussage ist, in jedem hinreichend mächtigen formalen System (das z. B. die Arithmetik natürlicher Zahlen beschreiben kann) gibt es wahre Aussagen, die innerhalb des Systems nicht bewiesen werden können. Das System kann sich also nicht vollständig selbst begründen.

Ich finde das sehr wichtig, also für meine Philosophie und auch ganz allgemein, auch weil es ein mathematischer Satz ist, da können selbst Nihilisten nur schwer gegen anstinken. ;)

Mal geschaut, es gibt da zwei Sätze, der Erste ist: "Jedes widerspruchsfreie formale System, das genug Rechenstärke hat, um grundlegende Arithmetik zu formalisieren, enthält unentscheidbare Aussagen." und der Zweite lautet: "Kein solches System kann seine eigene Widerspruchsfreiheit beweisen."

Davon betroffene Systeme sind die Peano-Arithmetik (Standardaxiome der natürlichen Zahlen), aber eben auch die ZFC-Mengenlehre (Zermelo-Fraenkel-Axiomatik mit Auswahlaxiom), die Grundlage der modernen Mathematik, und ganz allgemein jedes System, das "genug Logik" hat, um Selbstreferenz zuzulassen.

Die ZFC-Mengenlehre muss ich mir auch noch mal echt genauer anschauen, ist wo schon sehr wichtig. Weißt Du, es ist wo schon unglaublich, wie viele doch so wenig wissen und glauben aber doch ganz gut aufgestellt zu sein, dabei gibt es so viel mehr und so viel, was man nicht versteht oder nur wenige Menschen wirklich verstehen.

Dieser Unvollständigkeitssatz ist wichtig, eben auch für mich, wegen seiner philosophische Implikation, er belegt, dass Mathematik nicht vollständig axiomatisierbar ist. Es gibt immer Wahrheiten, die außerhalb des Systems liegen, ein Hinweis auf die prinzipielle Grenze formaler Vernunft. Konkret belegt Gödels erster Unvollständigkeitssatz konstruktiv, dass es in jedem hinreichend mächtigen formalen System mindestens eine konkrete unentscheidbare Aussage gibt, nämlich den berühmten Gödel-Satz G, der in etwa lautet: "G ist nicht beweisbar in diesem System." Und hier eben nicht nur "kann", Gödel konstruiert explizit eine solche Aussage. Es handelt sich also nicht um eine bloße Möglichkeit, sondern um einen Existenzbeweis.

Formulieren wir es mal besser, in jedem hinreichend mächtigen widerspruchsfreien System gibt es Aussagen, die zwar wahr, aber innerhalb des Systems nicht beweisbar sind.

Gödels berühmtes Beispiel, die Aussage "Diese Aussage ist nicht beweisbar", ist innerhalb des Systems wahr, aber nicht beweisbar, ein logisches Schwarzes Loch. Und das ist eben relevant, weil es zum Beispiel Hilberts Traum von einer lückenlosen und vollständigen Mathematik widerlegt. Es legt nahe, dass Kreativität und Intuition in der Mathematik unersetzlich sind. Gödel hat damit nicht nur die Mathematik revolutioniert, sondern auch die Erkenntnistheorie und Philosophie des Geistes.

Da unser Universum ganz sicher ein ausreichend komplexes System ist, existieren Wahrheiten welche wir nicht innerhalb dieses Systems finden oder formulieren können.

So, mal wieder viel zu viel geschrieben, ich brauche auch mehr Kaffee, ich mag die Zeitumstellung gar nicht.

SagittariusB schrieb am 26.03.2025:Was ist eure Meinung dazu, ich würde mich sehr über eine lebhafte Diskussion freuen.

Als jemand mit einer mathematisch-naturwissenschaftlichen Ausbildung bin ich es gewohnt, zunächst mit einer Definition anzufangen, bevor man überhaupt zu Beispielen, Sätzen und Folgerungen kommt.

Die Definition bei Wikipedia ist halbwegs brauchbar:

"Emergenz [...] bezeichnet die Möglichkeit der Herausbildung von neuen Eigenschaften (Systemeigenschaften) oder Strukturen eines Systems infolge des Zusammenspiels seiner Elemente." (Wikipedia, Emergenz)

Beispiele hattest du ja schon gebracht, aber vielleicht noch ein einfaches: Temperatur und Druck sind (emergente) Eigenschaften von Gasen, aber nicht von einzelnen Gasmolekülen.

Außerdem fehlt bspw. die Unterscheidung zwischen schwacher und starker Emergenz.

Schwache Emergenz bezieht sich auf die Vorstellung, dass makroskopische Eigenschaften aus mikroskopischen Gesetzen abgeleitet werden können, aber die Berechnungen dazu in der Regel zu komplex oder nicht praktisch umsetzbar sind (bspw. thermodynamische Größen wie Druck und Temperatur basierend auf den Zuständen der einzelnen Gasmoleküle). In diesem Fall gibt es keine neuen fundamentalen Gesetzmäßigkeiten auf der Makroskala, sondern lediglich eine komplexe Manifestation mikroskopischer Regeln.

Starke Emergenz stellt die Frage, ob neue Gesetzmäßigkeiten oder Prinzipien auf der Makroskala existieren, die nicht einfach aus den mikroskopischen Gesetzen hergeleitet werden können. Hier entsteht auf der Makroskala ein völlig neues Phänomen, das sich prinzipiell nicht durch die Mikrophysik erklären lässt, sondern nur durch eine ganz neue Theorie oder ein neues Paradigma beschrieben werden kann. Mögliche Kandidaten für starke Emergenz sind etwa Phasenübergänge, Turbulenzen, Supraleitung, Leben und insbesondere Bewusstsein.

Während schwache Emergenz die Entstehung neuartiger Eigenschaften durch komplexe Interaktionen beschreibt, die aber prinzipiell auf die zugrunde liegenden Gesetze zurückgeführt werden können, postuliert starke Emergenz vor allem das Auftreten von fundamental neuen Eigenschaften oder Gesetzen, die selbst bei vollständiger Kenntnis der Mikrozustände nicht ableitbar sind. Die Unterscheidung zwischen schwacher und starker Emergenz ist in Philosophie und Wissenschaft aber umstritten. Einige argumentieren, dass starke Emergenz notwendig ist, um Phänomene wie Bewusstsein und freien Willen zu erklären. Andere behaupten, dass alle Emergenz letztendlich schwach ist und scheinbare starke Emergenz nur auf unserem begrenzten Wissen beruht.

SagittariusB schrieb am 26.03.2025:Von allen Emergenten Eigenschaften dürfte die spannendste aber wohl das Menschliche Bewusstsein sein.

Dass das Bewusstsein ein emergentes Phänomen neuronaler Aktivität sei, ist lediglich eine Ad-hoc-Hypothese.

SagittariusB schrieb am 26.03.2025:Es ist sogar erwiesen, dass man theoretisch alle Rechenoperationen die man an einem Computer ausführen kann auch mit dem Spiel des Lebens ausführen könnte.

Ja, Stichwort "Turing-Vollständigkeit". Kennt man bspw. auch von Minecraft, ist halt nur praktisch begrenzt aufgrund der Rechenleistung, aber nicht theoretisch:

I made Minecraft in Minecraft with redstone!

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SagittariusB schrieb am 26.03.2025:Die entscheidende Frage aber ist, ob der Kernphysiker, der sich ja mit den mit den Grundlagen aller darauf aufbauender Prozesse beschäftigt (theoretisch) in der Lage wäre, ohne explizites Vorwissen von Evolution oder Meteorologie diese Problemlos ebenfalls beschreiben könnte?

Klar! Was genau sollte ihn denn auch davon abhalten, Theorien zur Evolution oder Meteorologie zu entwickeln?! Genau so ist doch auch der historische Ablauf: Ohne jegliches Vorwissen über Evolution oder Meteorologie hat der Mensch es im Laufe der Zeit geschafft, die von dir genannten Phänomene zu beschreiben. Wie der Mensch das geschafft? Ja, er hat ganz einfach die entsprechenden Theorien entwickelt.