涌現(xiàn)分類的全新框架: 從平凡無結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)到增廣涌現(xiàn)

導(dǎo)語

“涌現(xiàn)”是理解復(fù)雜世界的核心，卻始終缺乏可操作的定義：滑翔機(jī)為何能在生命游戲中穩(wěn)定移動(dòng)？意識(shí)、市場(chǎng)、生命為何呈現(xiàn)超越微觀粒子的結(jié)構(gòu)？2024 年，圣塔菲研究院的Sean Carroll 與 Achyth Parola 從動(dòng)力學(xué)與可計(jì)算性的視角，對(duì)涌現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)拆解，提出四類不同層級(jí)的涌現(xiàn)：從最弱的無結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)，到依賴局部構(gòu)型的局部涌現(xiàn)，再到受全局狀態(tài)支配的非局部涌現(xiàn)，直至可能挑戰(zhàn)還原論的增廣涌現(xiàn)。這套框架為討論物質(zhì)、生命與意識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)提供了新的物理學(xué)語言。

關(guān)鍵詞：涌現(xiàn)、復(fù)雜系統(tǒng)、狀態(tài)空間、粗粒化、可計(jì)算性、弱涌現(xiàn)

郭瑞東丨作者

趙思怡丨審校

論文題目：What Emergence Can Possibly Mean 論文鏈接：https://inspirehep.net/literature/2829209 發(fā)表時(shí)間：2024年9月15日 論文來源：INSPIRE-HEP

涌現(xiàn)在自然界與人類社會(huì)中無處不在，它讓我們即便在對(duì)微觀世界知之甚少的情況下，仍能有效描述、預(yù)測(cè)并操控宏觀現(xiàn)象。我們無需理解構(gòu)成細(xì)胞的分子細(xì)節(jié)，也能研究免疫系統(tǒng)；無需掌握每一枚粒子的動(dòng)力學(xué)，也能討論固體的彈性、市場(chǎng)的周期、甚至意識(shí)的結(jié)構(gòu)。涌現(xiàn)為我們提供了一條“在信息不完備條件下理解世界”的捷徑，也是復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)試圖解釋的核心現(xiàn)象。

從狀態(tài)空間到映射：涌現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)判據(jù)

人們普遍認(rèn)同涌現(xiàn)至關(guān)重要，但對(duì)于“涌現(xiàn)”一詞應(yīng)作何解，卻遠(yuǎn)未達(dá)成共識(shí)。圣塔菲研究院的 Sean M. Carroll和約翰霍普金斯大學(xué)的Achyth Parola在2024年的一項(xiàng)研究中，基于動(dòng)力學(xué)和可計(jì)算性，對(duì)涌現(xiàn)給出了四種可操作的分類。

圖1：狀態(tài)空間的“關(guān)系網(wǎng)絡(luò)”，A是微觀，B是宏觀，W是世界的“真實(shí)”狀態(tài)空間，邊為映射關(guān)系

這套分類方式的亮點(diǎn)在于拋開“新穎性”“不可預(yù)測(cè)性”等主觀判斷，聚焦“狀態(tài)演化”與“系統(tǒng)分解”。他們假設(shè)所有理論都由狀態(tài)空間 + 演化規(guī)則構(gòu)成，并考察宏觀理論如何從微觀理論中“映射”出來。

圖2：涌現(xiàn)的“動(dòng)力學(xué)核心判據(jù)”

無結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)(featureless emergence）

其定義是存在一個(gè)粗粒化映射，且該映射與時(shí)間演化算符可交換（commutes with time evolution）。

為何叫無結(jié)構(gòu)？傳統(tǒng)涌現(xiàn)討論默認(rèn)：宏觀整體大于微觀部分之和，但無結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)的微觀系統(tǒng)無內(nèi)在子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無法自然拆為獨(dú)立“部分”。 整體先于部分，部分只是宏觀粗粒化的產(chǎn)物，而非微觀本體的構(gòu)成單元。

因此，無結(jié)構(gòu)指微觀層面缺乏可識(shí)別的、動(dòng)態(tài)自主的組成部分。例如基本粒子中的量子在整體上是特定動(dòng)力學(xué)約束下的粗粒化產(chǎn)物；它們?cè)诨A(chǔ)量子層面并不作為獨(dú)立實(shí)體存在。

局部涌現(xiàn)（local emergence）

該類滿足無結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)的全部條件，且附加如下結(jié)構(gòu)要求： 微觀理論與宏觀理論均具有子系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)；每個(gè)宏觀子系統(tǒng)Bn的狀態(tài)僅依賴于某組特定的、局域聚集的微觀子系統(tǒng)的狀態(tài)；每一微觀子系統(tǒng)至多只貢獻(xiàn)給一個(gè)宏觀子系統(tǒng)（即無跨宏觀單元共享）。

其典型案例是Ising模型，流體力學(xué)，以及康威生命游戲中的“滑翔機(jī)”（Glider），以生命游戲?yàn)槔樱⒂^的2D格點(diǎn)中，每個(gè)格子為0/1，依照局部規(guī)則演化。宏觀的圖案“滑翔機(jī)”——由5個(gè)活細(xì)胞構(gòu)成的、能穩(wěn)定移動(dòng)的圖案。映射規(guī)則會(huì)判定某區(qū)域是否構(gòu)成一個(gè)滑翔機(jī)。

不過，即使?jié)M足局部涌現(xiàn)的定義，不同案例如“流體力學(xué)”與“滑翔機(jī)”在認(rèn)知驚奇度上差異巨大——前者“理所當(dāng)然”，后者“神來之筆”。為客觀刻畫此差異，引入Kolmogorov復(fù)雜度作為判據(jù)，將這類涌現(xiàn)細(xì)分為二，第一個(gè)是直接涌現(xiàn)（direct emergence），第二個(gè)是不可壓縮涌現(xiàn)（incompressible emergence）。

前者可高度壓縮，存在簡(jiǎn)短公式將微觀映射到宏觀，從而使得系統(tǒng)的可理解性高，后者由微觀到宏觀的映射算法復(fù)雜：最短描述接近查表，需枚舉微觀構(gòu)型。例如生命游戲中的滑翔機(jī)：需精確匹配5格點(diǎn)的特定形狀。蛋白質(zhì)折疊問題中，功能構(gòu)象也與氨基酸序列無簡(jiǎn)單映射，這一類涌現(xiàn)的認(rèn)知驚奇度更高。

科學(xué)成功往往依賴直接涌現(xiàn)（如熱力學(xué)），而復(fù)雜系統(tǒng)（生物、社會(huì)）中大量現(xiàn)象更接近不可壓縮涌現(xiàn)，例如我們能識(shí)別模式（如“市場(chǎng)泡沫”），卻難以簡(jiǎn)潔定義它。AI 中的“特征工程”本質(zhì)，就是在尋找從不可壓縮涌現(xiàn)向可壓縮涌現(xiàn)的壓縮映射。

非局部涌現(xiàn)（Nonlocal Emergence）

其特征是宏觀子系統(tǒng)無法由局部微觀子系統(tǒng)構(gòu)成；其定義或相互作用依賴全局微觀狀態(tài)，即宏觀實(shí)體和其動(dòng)力學(xué)不由局域聚集的微觀子系統(tǒng)構(gòu)成，也不繼承微觀層面的局域性（locality）。出現(xiàn)非局部涌現(xiàn)的關(guān)鍵機(jī)制是微觀演化方程中，出現(xiàn)一個(gè)全局“濾波”項(xiàng)，僅當(dāng)系統(tǒng)處于特定宏觀構(gòu)型時(shí)激活。

這類涌現(xiàn)的典型例子是人的心理狀態(tài)，其微觀表現(xiàn)是神經(jīng)元活動(dòng)，而宏觀體現(xiàn)為“憤怒”“信念”等心理狀態(tài)。“憤怒”無法定義為前額葉某1000個(gè)神經(jīng)元的平均放電率，它依賴全腦動(dòng)態(tài)耦合模式。這一類仍屬弱涌現(xiàn)，因其宏觀狀態(tài)由微觀狀態(tài)完全決定，但映射高度非局域。

增廣涌現(xiàn)（augmented emergence）

其定義是一種宏觀理論β，其狀態(tài)空間B由兩類變量共同張成：分別是由微觀狀態(tài)唯一確定的隨附變量（supervenient variables），以及不依賴微觀狀態(tài)，在微觀理論中完全無對(duì)應(yīng)的獨(dú)立變量（independent variables）。

這類涌現(xiàn)中，微觀到宏觀的映射不再是函數(shù)，而是一個(gè)二元關(guān)系（binary relation）：?jiǎn)蝹€(gè)微觀態(tài)a可僅僅因?yàn)楹暧^態(tài)度（即觀察者所采取的描述層次、關(guān)注焦點(diǎn)與認(rèn)知框架）不同，對(duì)應(yīng)多個(gè)宏觀態(tài)。例如強(qiáng)涌現(xiàn)下的意識(shí)觀，感受質(zhì)（qulia）中的宏觀狀態(tài)，例如“紅色的紅感”“疼痛的痛感”不可還原為任何物理構(gòu)型函數(shù)。

用于考察生命起源的組裝理論（assembly theory），同樣對(duì)應(yīng)增廣涌現(xiàn)。該假說中的分子“裝配指數(shù)”（assembly index）表征生命體的歷史選擇路徑，無法由當(dāng)前物理狀態(tài)反推。

從四類涌現(xiàn)看待自然：復(fù)雜性研究的新語言

這套分類框架為長(zhǎng)期模糊的“涌現(xiàn)問題”提供了一種可計(jì)算、可檢驗(yàn)的語言，也為討論意識(shí)、生命、社會(huì)系統(tǒng)等前沿問題建立了清晰的結(jié)構(gòu)化基線。前幾類涌現(xiàn)若能覆蓋自然界已知現(xiàn)象，還原論將在原則上得到支持。增廣涌現(xiàn)的定義，提供了一種可證偽該類涌現(xiàn)是否真實(shí)存在的方法，若在意識(shí)/生命系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性偏離微觀預(yù)測(cè)（且排除所有隱變量），則說明科學(xué)研究的范式需要考慮不同尺度存在獨(dú)立本體的可能性，如未來所有宏觀現(xiàn)象均可歸為前三種涌現(xiàn)，則還原論在原則上勝利。

而增廣涌現(xiàn)若被證明成立，則必須違反微觀閉合性，繼而將迫使主張者直面物理約束。如果宇宙的“源代碼”是分層編譯的，底層語法正確，但需高層鏈接新庫才能運(yùn)行完整程序，那這些高層鏈接庫就如同一個(gè)幽靈變量，例如自由意志，意識(shí)一樣難以琢磨。當(dāng)所有壓縮、非局域、濾波機(jī)制都失效時(shí)，我們?cè)撊绾蚊鎸?duì)這樣的幽靈變量，這個(gè)問題，值得用最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)語言和最開放的思維去追問。

因果涌現(xiàn)讀書會(huì)第六季

在霓虹燈的閃爍、蟻群的精密協(xié)作、人類意識(shí)的誕生中，隱藏著微觀與宏觀之間深刻的因果關(guān)聯(lián)——這些看似簡(jiǎn)單的個(gè)體行為，如何跨越尺度，涌現(xiàn)出令人驚嘆的復(fù)雜現(xiàn)象？因果涌現(xiàn)理論為我們揭示了答案：復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀特征無法通過微觀元素的簡(jiǎn)單疊加解釋，而是源于多尺度動(dòng)態(tài)交互中涌現(xiàn)的因果結(jié)構(gòu)。從奇異值分解（SVD）驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)可逆性分析，到因果抽象與信息分解的量化工具，研究者們正逐步構(gòu)建起一套跨越數(shù)學(xué)、物理與信息科學(xué)的理論框架，試圖解碼復(fù)雜系統(tǒng)的“涌現(xiàn)密碼”。

為了系統(tǒng)梳理因果涌現(xiàn)最新進(jìn)展，北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授、集智俱樂部創(chuàng)始人張江老師領(lǐng)銜發(fā)起，組織對(duì)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(huì)從2025年3月16日開始，每周日早9:00-11:00，持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì)10周左右。每周進(jìn)行線上會(huì)議，與主講人等社區(qū)成員當(dāng)面交流，之后可以獲得視頻回放持續(xù)學(xué)習(xí)。誠摯邀請(qǐng)領(lǐng)域內(nèi)研究者、尋求跨領(lǐng)域融合的研究者加入，共同探討。

詳情請(qǐng)見：

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