Émergence (sciences de la complexité)

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L'émergence désigne l'apparition de nouvelles caractéristiques à un certain degré de complexité.

C'est un phénomène qu'on trouve dans les domaines physiques, biologiques, écologiques, socio-économiques et autres systèmes dynamiques comportant des rétroactions.

On peut définir l'émergence par deux caractéristiques :

  • l'ensemble fait plus que la somme de ses parties. Ceci signifie qu'on ne peut pas forcément prédire le comportement de l'ensemble par la seule analyse de ses parties.
  • l'ensemble adopte un comportement caractérisable sur lequel la connaissance détaillée de ses parties ne renseigne pas complètement.

À partir d'un certain seuil critique de complexité, ces systèmes voient apparaître de nouvelles propriétés, dites propriétés émergentes. Celles-ci deviennent observables lorsqu'elles vont dans le sens d'une organisation nouvelle (voir aussi auto-organisation).

Sommaire

[modifier] Origine et orientation

Le concept d'émergence est historiquement apparu vers 1920 d'un groupe de philosophe et biologistes britanniques n'étant satisfaits ni par le réductionnisme (où comprendre l'élémentaire est censé expliquer le complexe) et le vitalisme (mouvement disparu depuis qui opposait au réductionnisme l'idée d'énergie vitale).

Dans son essai L'Homme et la coquille (Variété V, page 557 dans l'édition Folio), Paul Valéry utilise pour désigner l'émergence faible le mot émanation :

« Émaner me semble le seul terme assez près du vrai, puisqu'il signifie laisser suinter. Une grotte émane ses stalactites; un mollusque émane sa coquille. Sur le procédé de cette émanation, les savants nous redisent quantité de choses qu'ils ont vues dans le microscope; ils en ajoutent d'autres que je ne crois pas qu'ils aient vues : les unes sont inconcevables, quoi qu'on en puisse très bien discourir; les autres exigeraient une observation de quelques centaines de millions d'années (...); d'autres demandent ça et là quelque accident très favorable »

Le terme d'émergence désigne en physique théorique un mouvement de pensée externe à la Théorie du tout (théorie à la recherche de l'équation ultime s'appliquant à tous les phénomènes physiques), qui considère les grandes lois physiques comme émergentes, c'est-à-dire « qui ne peuvent pas être déduites de principes plus fondamentaux » comme le définit Robert Laughlin ce qui les rendraient donc relatives aux échelles d'observation.

Un exemple d'émergence est le Ruban de Möbius lorsqu'il est construit à partir d'un ruban. La torsion et le raccordement du ruban créent un nouvel objet qui n'a qu'une surface.

[modifier] Une image de Stewart et Cohen

Ian Stewart et Jack Cohen montrent que le concept d'émergence est un point de passage obligé pour expliquer des propriétés macroscopiques que l'on ne sait pas reporter sur des propriétés des seuls composants, et ainsi de suite ad infinitum  : En effet, si l'on constate que les chats sont vivement attirés par les souris, il semble absurde d'en inférer que ce sont les molécules des chats qui sont directement attirées par les molécules des souris. La cause de cet attrait doit donc être cherchée dans l'organisation interne de celles-ci, ou de structures plus complexes encore comme, ici, celles des système nerveux et hormonaux.

[modifier] Émergence et causalité

Lorsqu'on sait que certaines caractéristiques conduisent à l'apparition de propriétés émergentes, cette considération permet parfois de ne pas avoir à se préoccuper des détails de causalité sous-jacents et, en fait, contingents.

On considère par exemple que le refroidissement de l'eau va conduire à son organisation en glace sans avoir à descendre au niveau du comportement de chaque molécule. Voir Théorie des systèmes.

[modifier] Émergences « faible » et « forte »

La notion d'émergence est encore à l'état de discussion, et un sujet de controverses. Ainsi, différents points de vue concurrents apparaissent, et donc différents types d'émergences.

  • On parle d'émergence « faible » lorsque la dynamique causale du tout est entièrement déterminée par la dynamique causale des parties[1], et est subjectivement interprétée comme émergente par un observateur extérieur. Dans le cas des molécules d'eau, leur cristallisation en glace est un phénomène qui n'appartient ni à l'hydrogène, ni à l'oxygène, ses constituants. Il s'agit toutefois d'un phénomène qui peut s'expliquer à partir des propriétés de l'hydrogène et de l'oxygène. Il n'y a donc pas de propriété réellement nouvelle, si ce n'est celle qu'un humain peut observer, et qui peut surprendre ce dernier de premier abord.
  • L'émergence « forte » concerne des propriétés indépendantes de toute observation, intrinsèques au système, de sorte qu'elles vont interagir avec les autres constituants du système de manière originale. Il n'existe alors plus de lien causal entre les constituants de la structure émergente et ses propres propriétés. C'est l'existence de telles propriétés émergentes fortes qui est discutée : l'impossibilité de voir le lien entre le niveau micro et le niveau macro pourrait résulter des limites de l'être humain, comme pour tout système complexe. On peut toutefois citer deux exemples d'émergence qui semblent fortes : l'apparition de la vie à partir de l'inanimé, et l'émergence de la conscience.

[modifier] Exemples

  • Anatomie : des considérations sur l'apparition de variantes de l'œil dans plusieurs branches très différentes de la classification du vivant incitent à penser que l'apparition de l'œil fait partie des propriétés émergentes prévisibles là où existe une source lumineuse. Dans son livre L'horloger aveugle, le biologiste Richard Dawkins étudie plus en détail le mécanisme de cette émergence à partir d'une simple cellule se trouvant douée au départ de photosensibilité[2], par le biais de sélections naturelles successives. Il utilise pour cela des simulations sur ordinateur.
  • Zoologie : chez les insectes sociaux comme les fourmis ou les termites, on parle d'émergence de comportement collectif : « Les études réalisées par les éthologistes ont montré que certains comportements collectifs des insectes sociaux étaient auto-organisés. L’auto-organisation caractérise des processus au cours desquels des structures émergent au niveau collectif, à partir d’une multitude d’interactions simples entre insectes, sans être codées explicitement au niveau individuel. »[3]. Par le fait qu'un termite ait plus de chance de déposer une motte de terre en un lieu où il y en a déjà, on verra émerger la construction d'une termitière au sein d'un groupe de termites.
  • Sciences sociales : les institutions, les langages sont des exemples de phénomènes émergent décrits par les sciences sociales[4]. Si, comme l'explique Bernard Walliser, les « phénomènes d'émergence sont tout aussi pertinents dans les sciences sociales qu'en physique ou en biologie »[4], les premiers se distinguent par l'intentionnalité des comportements humains, qui en ayant conscience du phénomène d'émergence peuvent en influencer le cours.
  • Botanique : les brousses tigrées sont des communautés végétales caractérisées par une structure spatiale périodique dite émergente. En effet, cette structure d'une longueur d'onde largement supérieure aux individus végétaux qui la composent est le résultat d'interactions locales (positives et négatives) entre ces individus et leurs plus proches voisins[5].
  • Médias : les technologies Internet présente des phénomène d'émergence[6].
  • Éthologie et entomologie : un comportement émergent est un effet global qui résulte de l'application de règles locales, généralement très simples. Par exemple, il est possible de simuler l'activité très complexe d'une fourmilière à l'aide de règles très simples concernant chaque fourmi[7].
  • Systémique : l'accent est mis sur le phénomène d'émergence : « Emergence is a concept embedded in system theory »[8]. Ce n'est plus une somme de comportements simples, mais le résultat d'une interaction entre ces comportements et la complexité du système.
  • Intelligence artificielle : des robots programmés avec des règles simple peuvent avoir des comportements émergents : « An agent typically has certain sensory-motor abilities, i.e. it can perceive aspects of the environment, and depending on this information and its own state, performs a particular behavior [...]. One point of interest has been the emergence of complex global behavior from simple rules and local interactions »[9]

[modifier] Notes et références

  1. ↑ Bedeau M.A "Weak emergence" Philosophical Perspectives, vol. 11, 1997
  2. ↑ Dawkins, R., 1986. The Blind Watchmaker: Why the evidence of evolution reveals a universe without design. W.W. Norton and Company, New York, p. 93.
  3. ↑ Intelligence collective des fourmis et nousvelles techniques d'optimisation, CNRS Info n° 386, septembre 2000
  4. ↑ a  b  B. Walliser "Deux modes d'émergence" Hors série Siences & Avenir n°143 "L'énigme de l'Emergence"
  5. ↑ Rietkerk, M., Dekker, S. C., De Ruiter, P. C. & Van De Koppel, J. (2004a) Self-organized patchiness and catastrophic shifts in ecosystems. Science, 305, 1926-1929.
  6. ↑ Walter Willinger, Ramesh Govindan, Sugih Jamin, Vern Paxson, and Scott Shenker (2002). [1] Scaling phenomena in the Internet. In Proceedings of the National Academy of Sciences, 99, suppl. 1, 2573–2580
  7. ↑ Voir par exemple cette étude de l'INRIA
  8. ↑ Beckenkamp, Martin, The Herd Moves? Emergence and Self-organization in Collective Actors (July 2006). MPI Collective Goods Preprint No. 2006/14 Available at SSRN
  9. ↑ Iida F. et al., 2004, Embodied Artificial Intelligence, Springer, p. 9. Voir aussi Langton, C. G. (1995). Artificial life: an overview, Cambridge, Mass.: MIT Press.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes