Distant Brains by Alena Graedon

纵观整个自然界，大量的相对简单的元素可以自组织形成出人意料的复杂行为。这让科学家们开始去思考这些复杂现象形成的原因和过程。

视频：复杂的现象 | 视频来源：Lottie Kingslakefor Quanta Magazine

就算你花一辈子的时间去研究单个水分子，你也可能永远无法推断出冰的准确的硬度和滑度。就算你昼夜不停地在显微镜下观察一只孤独的蚂蚁，你也无法预测到成千上万只蚂蚁会集结起来，用自己的身体搭建桥梁跨越障碍。就算你一直观察鸟群中的某一只鸟，或者鱼群中的某一条鱼，你也不会察觉它们的动作其实是在协调配合它们的同类。

鱼漩涡 | 来源：vcg

自然界中充满了复杂行为的例子，这些复杂行为都是由极其简单的元素自发产生的。研究者甚至用了「涌现」这个词来描述这些令人费解的自组织表现行为。乍一看，这些行为着实令人费解，这些涌现的复杂行为到底是如何突然产生的呢？

答案已经开始浮出水面。其中的一种解释，是说这些涌现现象可以被理解成是一种集体行为，集体行为是指必须从观察数十、数百、数千或者更多的共同作用的元素的角度，去观察它们，只有这样才能够理解它们所产生的复杂现象。它们通常会显现出：整体大于各部分之和。

还有另一种解释是说，即使这些简单元素持续遵循着个体行为的相同规则，外部的因素也可以改变它们行为的集体结果。例如，冰在0℃的时候不会形成，这是因为水分子之间会因为温度突然变得粘稠。相反，由于分子的平均动能降低，也足使它们之间的排斥力和吸引力达到一个新的、更有弹性的平衡。对研究涌现现象的科学家来说，液体到固体的转变，这是一个非常有用的对比，所以他们也经常将涌现现象描述为相变。

下面是最新的理论研究视频，主要内容是对涌现的解释，即关于大量的简单元素如何自组织形成一个非同寻常的整体。

视频：什么是涌现？

看完视频你肯会有这样的疑问：极其复杂的涌现现象是如何从系统的简单元素中自发产生的呢？比如蚂蚁聚集成活的桥梁，或者微小的水分子和空气分子形成旋转的飓风等等。这些问题的答案，其实就是元素之间相互作用的转变，类似于相变。

涌现现象看起来令人毛骨悚然，但涌现是有科学解释的。一些研究者正在寻找通用的规则来描述任何系统中的涌现现象。类似于重整化这样的统计过程可以被精确定义，而定义集体现象会在什么时候、如何产生也变得更加地重要。

作为一个科学概念，也有一些人在批判涌现论，他们觉得涌现论太狡猾，信息量太少，以至于没有什么太大的作用。但是即使是这样，涌现论也不是一无是处，它也有助于说明，为什么科学家们发现了自然界中物理规律的层级性和不同规模的物理过程。