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新的數(shù)學(xué)理論表明，與傳統(tǒng)的科學(xué)智慧相反，有意識(shí)的生物和其他宏觀實(shí)體對(duì)未來(lái)的影響可能比其微觀組成部分的總和更大。

由北京師范大學(xué)教授、集智俱樂(lè)部創(chuàng)始人張江等發(fā)起的 「因果涌現(xiàn)」系列讀書(shū)會(huì) ，將組織對(duì)本話(huà)題感興趣的朋友，深入研讀相關(guān)文獻(xiàn)，激發(fā)科研靈感。 讀書(shū)會(huì)線上進(jìn)行，8月14日開(kāi)始，每周六上午9:00-11:00，持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì) 7-8 周。8月14日的第一期，將由張江教授分享，概述涌現(xiàn)、因果、自指的聯(lián)系及研究進(jìn)展。讀書(shū)會(huì)詳情及參與方式見(jiàn)后文。

在威廉·詹姆斯（William James）1890年的著作《心理學(xué)原理》中，他引用了羅密歐與朱麗葉來(lái)說(shuō)明意識(shí)體與構(gòu)成它們的粒子之間的差異。

“羅密歐想要朱麗葉，就像鐵屑想要靠近磁鐵一樣；如果沒(méi)有障礙物，他就會(huì)像它們一樣直線地向她移動(dòng)。”詹姆斯寫(xiě)道，“但對(duì)羅密歐與朱麗葉，如果在他們之間建了一堵墻，他們就不會(huì)像磁鐵對(duì)鐵屑一樣愚蠢地把臉貼在墻上……羅密歐會(huì)很快找到一種迂回的方式，通過(guò)攀爬墻壁或其他方式，直接親吻朱麗葉。”

2017年，29歲的理論神經(jīng)科學(xué)家和作家埃里克·霍爾(Erik Hoel) [1]在一篇文章[2]中引用了這段話(huà)，在這篇文章中他闡述了對(duì)意識(shí)和能動(dòng)性如何產(chǎn)生新的數(shù)學(xué)解釋。有意識(shí)的智能體（agents）——具有意圖和目標(biāo)導(dǎo)向的存在——長(zhǎng)期以來(lái)似乎與所有行為都源于粒子之間的機(jī)械相互作用的還原論假設(shè)（the reductionist assumption）存在嚴(yán)重分歧。既然智能代理不存于原子中，還原論就認(rèn)為根本不存在智能主體：羅密歐的欲望和心理狀態(tài)并不是他行為的真正原因，只不過(guò)是他大腦和周?chē)h(huán)境原子之間未知的復(fù)雜因果關(guān)系。

但霍爾提出的“因果涌現(xiàn)（causal emergence）”理論，徹底拒絕了上面的還原論假設(shè)。

作為哥倫比亞大學(xué)博士后研究員，霍爾說(shuō)：“因果涌現(xiàn)表明具有施動(dòng)能力的代理主體描述是真實(shí)的。”他首先與威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的拉里薩·阿爾班塔基斯和朱利奧·托諾尼提出了這個(gè)想法[3]。“如果你只是說(shuō)，‘哦，是我的原子讓我做到了’——好吧，那可能不是真的。事實(shí)證明這可能并不真實(shí)。”

使用信息論的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，霍爾和他的合作者認(rèn)為促使結(jié)果產(chǎn)生的事物可以在宏觀尺度上出現(xiàn)。他們說(shuō)，一個(gè)物理系統(tǒng)的某個(gè)粗粒度的宏觀狀態(tài)（例如大腦的心理狀態(tài)）可能比對(duì)系統(tǒng)更細(xì)致、更細(xì)粒度的描述更能影響系統(tǒng)的未來(lái)。沒(méi)有參與這項(xiàng)工作的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和圣達(dá)菲研究所的信息理論家和認(rèn)知科學(xué)家西蒙·德迪奧（Simon DeDeo）解釋說(shuō)，"宏觀狀態(tài)，比如欲望或信念，其實(shí)是對(duì)真正原因的描述，而更細(xì)粒度的描述往往會(huì)忽略這些狀態(tài)。”

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這似乎才是談?wù)撘蚬恼_方式，”德迪奧說(shuō)，“因?yàn)槲覀兇_實(shí)希望將因果屬性歸因于高階事件，諸如心理狀態(tài)之類(lèi)的事情。”

自 2013 年以來(lái)，德迪奧和合作者一直在發(fā)展他們想法背后的數(shù)學(xué)。在 2017年 5 月份發(fā)表在 Entropy 雜志上的一篇論文[4]中，霍爾將因果涌現(xiàn)置于更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)上，表明宏觀尺度也可通過(guò)同樣的數(shù)學(xué)原理獲得因果效力。在數(shù)學(xué)上，糾錯(cuò)碼 （error-correcting codes）增加了可以通過(guò)信息通道發(fā)送的信息量。正如代碼減少傳輸數(shù)據(jù)中的噪聲（以及不確定性）一樣——克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）在1948年的見(jiàn)解構(gòu)成了信息論的基石——霍爾聲稱(chēng)宏觀狀態(tài)也減少了系統(tǒng)因果結(jié)構(gòu)中的噪聲和不確定性，加強(qiáng)了因果關(guān)系并使系統(tǒng)的行為更具確定性。

“我認(rèn)為這非常重要，”南非宇宙學(xué)家喬治·埃利斯[5]（George Ellis）談到了霍爾的新論文時(shí)說(shuō)，他也寫(xiě)過(guò)自上而下的因果關(guān)系的文章[6]。埃利斯認(rèn)為因果涌現(xiàn)可以解釋許多涌現(xiàn)現(xiàn)象，例如超導(dǎo)性和物質(zhì)的拓?fù)湎啵╰opological phases）。研究人員說(shuō)，像鳥(niǎo)群和超有機(jī)體這樣的集體系統(tǒng)，像晶體和波浪這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，都可能表現(xiàn)出因果涌現(xiàn)。

關(guān)于因果涌現(xiàn)的工作尚未在物理學(xué)家中廣為人知，他們幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直對(duì)自然采取還原論的觀點(diǎn)，并且在很大程度上避免對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的哲學(xué)思考。但在物理學(xué)、生物學(xué)、信息論和哲學(xué)之間的交界處，出現(xiàn)了挑戰(zhàn)，新想法激發(fā)了人們的興趣。它們?cè)诮忉屖澜缂捌鋳W秘方面的用途——包括意識(shí)、其他類(lèi)型的涌現(xiàn)以及現(xiàn)實(shí)的微觀和宏觀層面之間的關(guān)系——將被歸結(jié)為棘手的因果關(guān)系概念：即，什么是因果關(guān)系？為什么是？“如果你把20名實(shí)驗(yàn)科學(xué)家?guī)У揭粋€(gè)房間里，問(wèn)他們什么是因果關(guān)系，他們會(huì)對(duì)答案各抒己見(jiàn)。”德迪奧說(shuō)，“我們對(duì)此感到很困惑。”

1. 有關(guān)原因的理論

在致命的酒后駕駛事故中，死亡原因是什么？醫(yī)生認(rèn)為是器官損害，而心理學(xué)家則將其歸咎于決策能力受損，而社會(huì)學(xué)家則指出對(duì)酒精的寬容態(tài)度。生物學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家反過(guò)來(lái)看到了更多的基本原因。“眾所周知，亞里士多德提出四因說(shuō)，”德迪奧說(shuō)。“作為科學(xué)家，我們否定了所有這些，只留下接觸、觸摸和推動(dòng)的原因。”

對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，真正的原因是粒子之間的基本力；所有的影響都從那里散發(fā)出來(lái)。事實(shí)上，當(dāng)這些力可以被分離時(shí)，它們看起來(lái)是完全確定的和可靠的——例如，物理學(xué)家可以高精度地預(yù)測(cè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的粒子碰撞結(jié)果。在這種觀點(diǎn)中，只有當(dāng)有太多變量需要跟蹤時(shí)，才難以根據(jù)第一性原理預(yù)測(cè)因果關(guān)系。

此外，哲學(xué)家們認(rèn)為，同時(shí)存在于宏觀和微觀尺度上的因果效力是多余的。為避免重復(fù)計(jì)算，“排他論證（exclusion argument）”認(rèn)為所有因果關(guān)系都必須源自微觀層面。但從宏觀實(shí)體的角度討論因果關(guān)系總是更容易。當(dāng)我們尋找致命車(chē)禍的原因，或羅密歐決定開(kāi)始攀登時(shí)，“一直深入到神經(jīng)元放電的微觀尺度似乎是不正確的，”德迪奧說(shuō)。“這就是霍爾介入的地方。談?wù)撘蚬P(guān)系的數(shù)學(xué)是一件大膽的事情。”

霍爾友善且四肢粗壯，在他家位于馬薩諸塞州紐伯里波特的書(shū)店Jabberwocky中長(zhǎng)大。他在本科時(shí)學(xué)習(xí)創(chuàng)意寫(xiě)作，并計(jì)劃成為一名作家。但他也被意識(shí)的問(wèn)題所吸引——它是什么?為什么產(chǎn)生?我們?nèi)绾螕碛兴俊J(rèn)為這是一個(gè)急需創(chuàng)造性的尚待研究的科學(xué)主題。讀研究生時(shí)，他去了威斯康星州的麥迪遜，與托諾尼一起工作——在霍爾看來(lái)，他是當(dāng)時(shí)唯一擁有科學(xué)的意識(shí)理論的人。

托諾尼將意識(shí)視為信息：它們是神經(jīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中編碼而非單個(gè)神經(jīng)元狀態(tài)中比特（bits），這些神經(jīng)元在大腦中連接在一起成為整體。托諾尼認(rèn)為，這種特殊的“整合信息”對(duì)應(yīng)于我們的主觀意識(shí)體驗(yàn)到的統(tǒng)一、整合的狀態(tài)。整合信息理論（Integrated information theory）在過(guò)去幾年中獲得了突出地位，盡管隨后就其是否代表了準(zhǔn)確和充分的意識(shí)引發(fā)了爭(zhēng)論。但是當(dāng)霍爾于2010年第一次來(lái)到麥迪遜時(shí)，只有他們兩人在那里從事這方面的研究。

托諾尼委托霍爾探索尺度和信息之間的一般數(shù)學(xué)關(guān)系。科學(xué)家們后來(lái)專(zhuān)注于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的整合信息量如何隨著時(shí)空尺度的層次結(jié)構(gòu)而變化，觀察越來(lái)越大的神經(jīng)元組之間的聯(lián)系。他們希望弄清楚哪種集成規(guī)模對(duì)應(yīng)著最大的整合信息。霍爾為此自學(xué)了信息論，并陷入了關(guān)于意識(shí)、還原論和因果關(guān)系的哲學(xué)辯論。

霍爾很快發(fā)現(xiàn)，要理解意識(shí)如何在宏觀尺度上出現(xiàn)，需要一種量化大腦狀態(tài)因果效力的方法。他說(shuō)，他意識(shí)到“因果關(guān)系的最佳衡量標(biāo)準(zhǔn)是比特。” 他還閱讀了計(jì)算機(jī)科學(xué)家和哲學(xué)家朱迪亞·珀?duì)朳7]（Judea Pearl）的著作，后者在1990年代發(fā)展出了一種用于研究因果關(guān)系的邏輯語(yǔ)言，稱(chēng)為因果演算（causal calculus）。在阿爾班塔基斯和托諾尼的幫助下，霍爾將一種稱(chēng)為“有效信息”的因果效力度量形式化，它表明特定狀態(tài)如何有效地影響系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)。有效信息可用于幫助計(jì)算整合信息，但它更簡(jiǎn)單、更通用，并且作為因果力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不依賴(lài)于托諾尼關(guān)于意識(shí)的其他觀點(diǎn)。

研究人員表明，在簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，有效信息的數(shù)量隨著你對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元進(jìn)行粗粒度化程度而增加。當(dāng)神經(jīng)元組被視為整個(gè)單元時(shí)，這些相互關(guān)聯(lián)的單元的可能狀態(tài)會(huì)形成因果結(jié)構(gòu)，其中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以使用馬爾可夫鏈（Markov chains）進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在某個(gè)宏觀尺度上，有效信息達(dá)到峰值：這是系統(tǒng)狀態(tài)具有最大效力力量的尺度，它以最可靠、最有效的方式預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)。但進(jìn)一步粗粒度，將開(kāi)始丟失關(guān)于系統(tǒng)因果結(jié)構(gòu)的重要細(xì)節(jié)。托諾尼及其同事假設(shè)，在大腦中，因果關(guān)系高峰的規(guī)模應(yīng)該與有意識(shí)決策的規(guī)模相對(duì)應(yīng)；根據(jù)腦成像研究，阿爾班塔基斯猜測(cè)這可能發(fā)生在神經(jīng)元微柱（neuronal microcolumns）的規(guī)模上，它由大約100個(gè)神經(jīng)元組成。

霍爾解釋說(shuō)，因果涌現(xiàn)是可能的，因?yàn)殡S機(jī)性和冗余性困擾著神經(jīng)元的基本尺度。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，他說(shuō)想象一個(gè)由兩組10個(gè)神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)。A組中的每個(gè)神經(jīng)元都與B組中的幾個(gè)神經(jīng)元相連，當(dāng)A組中的一個(gè)神經(jīng)元激活時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致B中的一個(gè)神經(jīng)元也激活。究竟哪個(gè)連接的神經(jīng)元激發(fā)是不可預(yù)測(cè)的。例如，如果 A 組的狀態(tài)是 {1,0,0,1,1,1,0,1,1,0}，其中1和0分別代表激活和不激活的神經(jīng)元，結(jié)果B組的狀態(tài)可以有無(wú)數(shù)種可能的1和0組合。平均而言，B組中的六個(gè)神經(jīng)元會(huì)激活，但其中六個(gè)幾乎是隨機(jī)的，微觀狀態(tài)是不確定的。現(xiàn)在，假設(shè)我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行粗粒度處理，因此這一次，我們將所有A神經(jīng)元組合在一起，并簡(jiǎn)單地計(jì)算觸發(fā)的總數(shù)。A組的狀態(tài)是{6}。這種狀態(tài)很可能導(dǎo)致B組的狀態(tài)也為 {6}。顯然宏觀狀態(tài)更可靠有效，計(jì)算表明它具有更有效的信息。

現(xiàn)實(shí)世界的例子也支持這點(diǎn)。“我們的生活非常嘈雜，”霍爾說(shuō)。“如果你只給我你的原子狀態(tài)，可能完全無(wú)法猜測(cè)你的原子狀態(tài)在12小時(shí)后會(huì)在哪里。如果給出心理描述，或者生理描述：12 小時(shí)后你會(huì)去哪里？現(xiàn)在是中午。他說(shuō)：“你會(huì)睡著的——這很容易。”所以這些更高層次的關(guān)系是看起來(lái)更可靠。這是因果涌現(xiàn)一個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單的例子。”

對(duì)于任何給定的系統(tǒng)，有效信息在具有最大和最可靠因果結(jié)構(gòu)的尺度上達(dá)到峰值。除了有意識(shí)的主體，霍爾說(shuō)這個(gè)層級(jí)可能會(huì)辨別出巖石、海嘯、行星和我們通常在世界上注意到的所有其他物體的自然尺度。“我們?cè)谶M(jìn)化上辨別出它們的原因是因?yàn)樗鼈兛煽壳矣行В@也意味著產(chǎn)生了因果涌現(xiàn)。”霍爾說(shuō)。

麥迪遜和紐約正在計(jì)劃進(jìn)行腦成像實(shí)驗(yàn)，霍爾已加入哥倫比亞神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）的實(shí)驗(yàn)室。兩個(gè)小組都將進(jìn)行腦成像實(shí)驗(yàn)，以試圖找到對(duì)未來(lái)具有最大因果控制力的時(shí)空尺度。這些尺度的大腦活動(dòng)應(yīng)該最可靠地預(yù)測(cè)未來(lái)的活動(dòng)。正如霍爾所說(shuō)，“大腦的因果結(jié)構(gòu)從何而來(lái)？” 如果數(shù)據(jù)支持他們的假設(shè)，他們就會(huì)將結(jié)果視為更普遍的自然事實(shí)的證據(jù)。“智能代理或意識(shí)是這個(gè)想法最明顯的地方，”威斯康星小組的博士后研究員威廉馬歇爾說(shuō)。“但如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)因果涌現(xiàn)正在發(fā)生，則必須重新評(píng)估還原論假設(shè)，這可能會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。”

2. 新的哲學(xué)思維

薩拉·沃克（Sara Walker）[8]是亞利桑那州立大學(xué)研究生命起源的物理學(xué)家和天體生物學(xué)家，她希望有效信息和整合信息等概念將有助于定義她所認(rèn)為的非生命和生命之間的灰色區(qū)間（病毒和細(xì)胞周期處在灰色地帶）。沃克一直在與托諾尼的團(tuán)隊(duì)合作研究真實(shí)和人工細(xì)胞周期，初步跡象表明整合信息可能與生命有關(guān)。

在最近的其他工作[8]中，麥迪遜小組開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量因果涌現(xiàn)的方法，稱(chēng)為“黑盒化（black-boxing）”，他們說(shuō)這種方法適用于單個(gè)神經(jīng)元。神經(jīng)元不是其組成原子的平均值，因此不適合粗粒度化。黑盒化就像在神經(jīng)元周?chē)乓粋€(gè)盒子并測(cè)量盒子的整體輸入和輸出，不對(duì)其內(nèi)部工作做任何假設(shè)。“黑盒化是因果涌現(xiàn)的真正普遍形式，對(duì)生物和工程系統(tǒng)尤其重要，”托諾尼在一封電子郵件中說(shuō)。

沃克也是霍爾的新工作的粉絲，該工作將有效信息和因果涌現(xiàn)追溯到信息論的基礎(chǔ)。她說(shuō)：“我們處于如此深刻的概念領(lǐng)域，并不清楚該往哪個(gè)方向發(fā)展，所以我認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域的任何分歧都是好的和建設(shè)性的。”

惠頓學(xué)院的哲學(xué)家和物理學(xué)家羅伯特·畢曉普（Robert Bishop）說(shuō)，“我認(rèn)為有效信息是一種有用的涌現(xiàn)衡量標(biāo)準(zhǔn)，但可能不是唯一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。” 霍爾的度量具有簡(jiǎn)單的魅力，僅反映可靠性和因果關(guān)系的數(shù)量，但根據(jù)畢曉普的說(shuō)法，它可能只適用于不同情況的幾種因果關(guān)系之一。

霍爾的想法并沒(méi)有給德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）留下深刻印象。他說(shuō)，因果涌現(xiàn)的基本前提并不激進(jìn)。在閱讀了霍爾最近為Foundational Questions Institute 撰寫(xiě)的文章“Agent Above, Atom below”（以羅密歐與朱麗葉為主角的那篇文章）后，阿倫森說(shuō)：“我很難在這篇文章中找到世界上正統(tǒng)的還原論者會(huì)反對(duì)的東西。當(dāng)然，您希望通過(guò)更高的抽象層次進(jìn)行預(yù)測(cè)，并講述對(duì)預(yù)測(cè)有用的因果故事——好吧這篇文章確實(shí)解釋了其中某些原因。”

考慮到排他論證阻礙了處理更高層次因果關(guān)系的努力，這對(duì)其他人來(lái)說(shuō)似乎并不那么明顯。霍爾說(shuō)他的論點(diǎn)比阿倫森承認(rèn)的要更進(jìn)一步，表明“更高的尺度比其潛在的尺度具有更多的信息和因果影響。而且與大多數(shù)還原論的想法正好相反，它難在可證明的部分。”

此外，正如阿倫森所暗示的那樣，因果涌現(xiàn)不僅僅關(guān)于我們對(duì)世界的描述或“因果故事”的聲明。霍爾和他的合作者旨在證明更高層次的原因——包括智能體和其他宏觀事物——在本體論上是存在的。這種區(qū)別與哲學(xué)家大衛(wèi)·查默斯（David Chalmers）對(duì)意識(shí)的分類(lèi)有關(guān)：神經(jīng)回路如何導(dǎo)致復(fù)雜行為的“簡(jiǎn)單問(wèn)題”和“困難問(wèn)題”，本質(zhì)上是問(wèn)什么將有意識(shí)的生物與無(wú)生命的自動(dòng)機(jī)區(qū)分開(kāi)來(lái)。“有效信息是衡量我們?cè)谛袆?dòng)中感覺(jué)到的那種因果力嗎？” Hedda Hassel M?0?3rch說(shuō)，她是紐約大學(xué)的哲學(xué)家，也是查爾默斯的門(mén)徒。她說(shuō)，有效信息有可能“導(dǎo)致真正的本體論出現(xiàn)，但這需要對(duì)法律、權(quán)力的本質(zhì)以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行一些新的哲學(xué)思考。”

對(duì)霍爾和阿爾班塔基斯打擊最大的是一位物理學(xué)家在聽(tīng)到這個(gè)想法時(shí)做出的批評(píng)。物理學(xué)家斷言，這些都是噪聲，作為因果涌現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)力并不真正存在；噪聲不過(guò)是物理學(xué)家所謂的的模型要忽略的東西。“這是一個(gè)典型的物理學(xué)觀點(diǎn)，”阿爾班塔基斯說(shuō)，“如果你知道整個(gè)宇宙的確切微觀狀態(tài)，那么我可以預(yù)測(cè)直到時(shí)間結(jié)束會(huì)發(fā)生什么，也沒(méi)有理由談?wù)撝T如因果效力之類(lèi)的事情。”

一種反駁是，即使在原理上，對(duì)宇宙的完美了解也是不可能的。即使宇宙可以被認(rèn)為是一個(gè)自主進(jìn)化的整個(gè)單元，這幅畫(huà)面也不會(huì)提供任何信息。“剩下的就是識(shí)別實(shí)體，”阿爾班塔基斯說(shuō)，“因果關(guān)系真的是確定在整個(gè)宇宙狀態(tài)中組成的實(shí)體所必需的度量或量嗎？因果關(guān)系是你需要給與宇宙結(jié)構(gòu)的什么。” 將因果關(guān)系視為實(shí)體是理解世界的必要工具。

正如阿倫森所說(shuō)的那樣，也許我們一直都知道，較高的尺度會(huì)從較低的尺度中奪取控制權(quán)。如果這些科學(xué)家是對(duì)的，那么從數(shù)學(xué)上講，因果涌現(xiàn)就是它可能的運(yùn)作方式。“這就像我們?cè)囍蜷_(kāi)一扇門(mén)，”霍爾說(shuō)，“實(shí)際上證明那扇門(mén)能微微打開(kāi)是非常重要的。因?yàn)槿魏稳硕伎梢該]手說(shuō)，是的、可能、也許，等等只是談?wù)摰脑?huà)。但現(xiàn)在你卻可以說(shuō)，‘系統(tǒng)就在這兒了（連同高階因果事件），來(lái)證偽吧！。”

來(lái)源于與網(wǎng)絡(luò)