emergente bloemkoolAls wetenschappers proberen we de wereld om ons heen te begrijpen op alle mogelijke schalen. Eén manier is om te kijken naar de bouwstenen waaruit de wereld om ons heen is opgebouwd en steeds kleiner en kleiner kijken. Eerst begrepen we dat er molekulen bestonden (ik moet ergens beginnen), vervolgens dat die uit atomen bestonden, die weer elektronen, protonen en neutronen, etcetera. Het CERN is het bekendste instituut waar fysici nu proberen met de nieuwe versneller steeds kleinere deeltjes te vinden dan die we al kennen.

Voor grootschaliger fenomenen is het soms niet voldoende om alleen het fundamentele gedrag van een deeltje te kennen. Als je veel goed begrepen deeltjes bij elkaar stopt kunnen er nieuwe dingen gebeuren die je niet verwacht had. Hoe een biljartbal over een biljart rolt is niet lastig, iedereen kan anticiperen hoe deze gaat rollen (de een beter dan de ander, maar goed). Twee ballen die botsen wordt al lastiger en als je er tien bij elkaar hebt is het erg moeilijk te bedenken welke bal waar terecht komt: het collectieve gedrag van veel deeltjes bij elkaar kan complex gedrag vertonen. Biljartballen botsen elastisch en daardoor lijkt het chaotisch tenzij je het biljart weer zo vol legt dat de ballen praktisch nergens naartoe kunnen en er een soort honingraat structuur ontstaat. Met een paar simpele regels voor enkele deeltjes kunnen erg exotische patronen ontstaan voor het geheel. Het lijkt dan alsof alle deeltjes als een collectief samen werken. Dit fenomeen wordt emergentie genoemd. Op TED talks staat een mooie presentatie hierover van Steven Strogatz.

Hieronder staan twee voorbeelden van emergent gedrag. De eerste is een simpel spelletje: er staan drie punten in een driehoek A, B en C en er is één punt getekend. Nu ga je willekeurig A, B of C kiezen en vervolgens zet je een nieuwe stip halverwege tussen waar je stond en de gekozen letter. Dit kun je proberen door op de A, B of C knoppen te klikken (maar probeer voordat je begint met klikken te bedenken wat het ‘emergente gedrag’ gaat zijn!). Met de knop 100x wordt 100 keer willekeurig A, B of C gekozen en de stap gezet.

Een tweede voorbeeld lijkt erg op wat er in het filmpje van Strogatz vertoond wordt waarbij een school vissen of een zwerm vogels collectief gedrag vertoont. Met een paar simpele regels kun je dit gedrag al nabootsen. Twee stipjes bewegen rond en vervolgens zijn er 4 extra ‘regels’ volgens welke ze bewegen (gebruik de 4 knoppen om ze aan of uit te zetten). De eerste is willekeur toevoegen aan de beweging van elk deeltje. De tweede (parallel) is dat de deeltjes de tendens hebben om in dezelfde richting te bewegen als andere deeltjes dicht in de buurt. De derde is aantrekking tussen de deeltjes: ze willen graag bij elkaar in de buurt zitten, maar niet te dichtbij. En met de vierde kun je met je muis de boel een beetje opjagen (de deeltjes afstoten). Allemaal nogal saai en weinig emergent gedrag, totdat je op de laatste knop drukt, en er 100 deeltjes in plaats van 2 van maakt. Dan begint het collectieve gedrag erg duidelijk te worden: soms lijkt het meer op een waterdruppel en anders op een zwerm vliegen. In ieder geval gedraagt het nieuwe ‘object’ zich zelf volgens totaal andere regels dan wat je de microscopische deeltjes oplegt.

In ons dagelijks leven nemen we met name het emergente gedrag van fysische (of biologische!) processen waar. Dit zijn vaak processen met een stuk meer dan 100 deeltjes en dus moeilijk (of onmogelijk) met computers te simuleren. Voor deze veel-deeltjes systemen is dus een compleet andere aanpak vereist dan om de bouwstenen van de natuur te begrijpen, maar toch ook deze fundamentele kennis nodig heeft! Momenteel groeit een groot deel van de natuurkunde meer richting grotere complexe systemen en de biologie ontwikkelt zich naar kleinere en kleinere systemen zodat we steeds grotere systemen exact zullen kunnen begrijpen.