新的數(shù)學(xué)理論表明，與傳統(tǒng)的科學(xué)智慧相反，有意識的生物和其他宏觀實體對未來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、集智俱樂部創(chuàng)始人張江等發(fā)起的 「因果涌現(xiàn)」系列讀書會 ，將組織對本話題感興趣的朋友，深入研讀相關(guān)文獻(xiàn)，激發(fā)科研靈感。 讀書會線上進(jìn)行，8月14日開始，每周六上午9:00-11:00，持續(xù)時間預(yù)計 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。讀書會詳情及參與方式見后文。

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說明意識體與構(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；如果沒有障礙物，他就會像它們一樣直線地向她移動。”詹姆斯寫道，“但對羅密歐與朱麗葉，如果在他們之間建了一堵墻，他們就不會像磁鐵對鐵屑一樣愚蠢地把臉貼在墻上……羅密歐會很快找到一種迂回的方式，通過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，在這篇文章中他闡述了對意識和能動性如何產(chǎn)生新的數(shù)學(xué)解釋。有意識的智能體（agents）——具有意圖和目標(biāo)導(dǎo)向的存在——長期以來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，只不過是他大腦和周圍環(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：“因果涌現(xiàn)表明具有施動能力的代理主體描述是真實的。”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·托諾尼提出了這個想法[3]。“如果你只是說，‘哦，是我的原子讓我做到了’——好吧，那可能不是真的。事實證明這可能并不真實。”

使用信息論的數(shù)學(xué)語言，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，一個物理系統(tǒng)的某個粗粒度的宏觀狀態(tài)（例如大腦的心理狀態(tài)）可能比對系統(tǒng)更細(xì)致、更細(xì)粒度的描述更能影響系統(tǒng)的未來。沒有參與這項工作的卡內(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，"宏觀狀態(tài)，比如欲望或信念，其實是對真正原因的描述，而更細(xì)粒度的描述往往會忽略這些狀態(tài)。”

“對我來說，這似乎才是談?wù)撘蚬恼_方式，”德迪奧說，“因為我們確實希望將因果屬性歸因于高階事件，諸如心理狀態(tài)之類的事情。”

自 2013 年以來，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)置于更堅實的理論基礎(chǔ)上，表明宏觀尺度也可通過同樣的數(shù)學(xué)原理獲得因果效力。在數(shù)學(xué)上，糾錯碼 （error-correcting codes）增加了可以通過信息通道發(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年的見解構(gòu)成了信息論的基石——霍爾聲稱宏觀狀態(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說，他也寫過自上而下的因果關(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，像鳥群和超有機(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，他們幾個世紀(jì)以來一直對自然采取還原論的觀點，并且在很大程度上避免對這個問題進(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。它們在解釋世界及其奧秘方面的用途——包括意識、其他類型的涌現(xiàn)以及現(xiàn)實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名實驗科學(xué)家?guī)У揭粋€房間里，問他們什么是因果關(guān)系，他們會對答案各抒己見。”德迪奧說，“我們對此感到很困惑。”

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，而社會學(xué)家則指出對酒精的寬容態(tài)度。生物學(xué)家、化學(xué)家和物理學(xué)家反過來看到了更多的基本原因。“眾所周知，亞里士多德提出四因說，”德迪奧說。“作為科學(xué)家，我們否定了所有這些，只留下接觸、觸摸和推動的原因。”

對于物理學(xué)家來說，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。事實上，當(dāng)這些力可以被分離時，它們看起來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)測大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子碰撞結(jié)果。在這種觀點中，只有當(dāng)有太多變量需要跟蹤時，才難以根據(jù)第一性原理預(yù)測因果關(guān)系。

此外，哲學(xué)家們認(rèn)為，同時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)我們尋找致命車禍的原因，或羅密歐決定開始攀登時，“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。“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店Jabberwocky中長大。他在本科時學(xué)習(xí)創(chuàng)意寫作，并計劃成為一名作家。但他也被意識的問題所吸引——它是什么?為什么產(chǎn)生?我們?nèi)绾螕碛兴俊J(rèn)為這是一個急需創(chuàng)造性的尚待研究的科學(xué)主題。讀研究生時，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，他是當(dāng)時唯一擁有科學(xué)的意識理論的人。

托諾尼將意識視為信息：它們是神經(jīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中編碼而非單個神經(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”對應(yīng)于我們的主觀意識體驗到的統(tǒng)一、整合的狀態(tài)。整合信息理論（Integrated information theory）在過去幾年中獲得了突出地位，盡管隨后就其是否代表了準(zhǔn)確和充分的意識引發(fā)了爭論。但是當(dāng)霍爾于2010年第一次來到麥迪遜時，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)家們后來專注于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的整合信息量如何隨著時空尺度的層次結(jié)構(gòu)而變化，觀察越來越大的神經(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、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，他意識到“因果關(guān)系的最佳衡量標(biāo)準(zhǔn)是比特。” 他還閱讀了計算機(jī)科學(xué)家和哲學(xué)家朱迪亞·珀爾[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)系的邏輯語言，稱為因果演算（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)的未來狀態(tài)。有效信息可用于幫助計算整合信息，但它更簡單、更通用，并且作為因果力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不依賴于托諾尼關(guān)于意識的其他觀點。

研究人員表明，在簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，有效信息的數(shù)量隨著你對網(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)元組被視為整個單元時，這些相互關(guān)聯(lián)的單元的可能狀態(tài)會形成因果結(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)測未來狀態(tài)。但進(jìn)一步粗粒度，將開始丟失關(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)該與有意識決策的規(guī)模相對應(yīng)；根據(jù)腦成像研究，阿爾班塔基斯猜測這可能發(fā)生在神經(jīng)元微柱（neuronal microcolumns）的規(guī)模上，它由大約100個神經(jīng)元組成。

霍爾解釋說，因果涌現(xiàn)是可能的，因為隨機(jī)性和冗余性困擾著神經(jīng)元的基本尺度。作為一個簡單的例子，他說想象一個由兩組10個神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)。A組中的每個神經(jīng)元都與B組中的幾個神經(jīng)元相連，當(dāng)A組中的一個神經(jīng)元激活時，通常會導(dǎo)致B中的一個神經(jīng)元也激活。究竟哪個連接的神經(jīng)元激發(fā)是不可預(yù)測的。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)可以有無數(shù)種可能的1和0組合。平均而言，B組中的六個神經(jīng)元會激活，但其中六個幾乎是隨機(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，并簡單地計算觸發(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，計算表明它具有更有效的信息。

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

對于任何給定的系統(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。除了有意識的主體，霍爾說這個層級可能會辨別出巖石、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。“我們在進(jìn)化上辨別出它們的原因是因為它們可靠且有效，但這也意味著產(chǎn)生了因果涌現(xiàn)。”霍爾說。

麥迪遜和紐約正在計劃進(jìn)行腦成像實驗，霍爾已加入哥倫比亞神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）的實驗室。兩個小組都將進(jìn)行腦成像實驗，以試圖找到對未來具有最大因果控制力的時空尺度。這些尺度的大腦活動應(yīng)該最可靠地預(yù)測未來的活動。正如霍爾所說，“大腦的因果結(jié)構(gòu)從何而來？” 如果數(shù)據(jù)支持他們的假設(shè)，他們就會將結(jié)果視為更普遍的自然事實的證據(jù)。“智能代理或意識是這個想法最明顯的地方，”威斯康星小組的博士后研究員威廉馬歇爾說。“但如果我們確實發(fā)現(xiàn)因果涌現(xiàn)正在發(fā)生，則必須重新評估還原論假設(shè)，這可能會得到廣泛的應(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)隊合作研究真實和人工細(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，麥迪遜小組開發(fā)了一種測量因果涌現(xiàn)的方法，稱為“黑盒化（black-boxing）”，他們說這種方法適用于單個神經(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)元周圍放一個盒子并測量盒子的整體輸入和輸出，不對其內(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，對生物和工程系統(tǒng)尤其重要，”托諾尼在一封電子郵件中說。

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：“我們處于如此深刻的概念領(lǐng)域，并不清楚該往哪個方向發(fā)展，所以我認(rèn)為這個領(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，“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。

霍爾的想法并沒有給德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論計算機(jī)科學(xué)家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）留下深刻印象。他說，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：“我很難在這篇文章中找到世界上正統(tǒng)的還原論者會反對的東西。當(dāng)然，您希望通過更高的抽象層次進(jìn)行預(yù)測，并講述對預(yù)測有用的因果故事——好吧這篇文章確實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，這對其他人來說似乎并不那么明顯。霍爾說他的論點比阿倫森承認(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）對意識的分類有關(guān)：神經(jīng)回路如何導(dǎo)致復(fù)雜行為的“簡單問題”和“困難問題”，本質(zhì)上是問什么將有意識的生物與無生命的自動機(jī)區(qū)分開來。“有效信息是衡量我們在行動中感覺到的那種因果力嗎？” Hedda Hassel M?0?3rch說，她是紐約大學(xué)的哲學(xué)家，也是查爾默斯的門徒。她說，有效信息有可能“導(dǎo)致真正的本體論出現(xiàn)，但這需要對法律、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。”

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

一種反駁是，即使在原理上，對宇宙的完美了解也是不可能的。即使宇宙可以被認(rèn)為是一個自主進(jìn)化的整個單元，這幅畫面也不會提供任何信息。“剩下的就是識別實體，”阿爾班塔基斯說，“因果關(guān)系真的是確定在整個宇宙狀態(tài)中組成的實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)系視為實體是理解世界的必要工具。

正如阿倫森所說的那樣，也許我們一直都知道，較高的尺度會從較低的尺度中奪取控制權(quán)。如果這些科學(xué)家是對的，那么從數(shù)學(xué)上講，因果涌現(xiàn)就是它可能的運作方式。“這就像我們試著打開一扇門，”霍爾說，“實際上證明那扇門能微微打開是非常重要的。因為任何人都可以揮手說，是的、可能、也許，等等只是談?wù)摰脑挕５F(xiàn)在你卻可以說，‘系統(tǒng)就在這兒了（連同高階因果事件），來證偽吧！。”

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