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新的數學理論表明，與傳統的科學智慧相反，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。

由北京師范大學教授、集智俱樂部創始人張江等發起的 「因果涌現」系列讀書會 ，將組織對本話題感興趣的朋友，深入研讀相關文獻，激發科研靈感。 讀書會線上進行，8月14日開始，每周六上午9:00-11:00，持續時間預計 7-8 周。8月14日的第一期，將由張江教授分享，概述涌現、因果、自指的聯系及研究進展。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《心理學原理》中，他引用了羅密歐與朱麗葉來說明意識體與構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歲的理論神經科學家和作家埃里克·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生新的數學解釋。有意識的智能體（agents）——具有意圖和目標導向的存在——長期以來似乎與所有行為都源于粒子之間的機械相互作用的還原論假設（the reductionist assumption）存在嚴重分歧。既然智能代理不存于原子中，還原論就認為根本不存在智能主體：羅密歐的欲望和心理狀態并不是他行為的真正原因，只不過是他大腦和周圍環境原子之間未知的復雜因果關系。

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

作為哥倫比亞大學博士后研究員，霍爾說：“因果涌現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。”

使用信息論的數學語言，霍爾和他的合作者認為促使結果產生的事物可以在宏觀尺度上出現。他們說，一個物理系統的某個粗粒度的宏觀狀態（例如大腦的心理狀態）可能比對系統更細致、更細粒度的描述更能影響系統的未來。沒有參與這項工作的卡內基梅隆大學和圣達菲研究所的信息理論家和認知科學家西蒙·德迪奧（Simon DeDeo）解釋說，"宏觀狀態，比如欲望或信念，其實是對真正原因的描述，而更細粒度的描述往往會忽略這些狀態。”

“對我來說，這似乎才是談論因果的正確方式，”德迪奧說，“因為我們確實希望將因果屬性歸因于高階事件，諸如心理狀態之類的事情。”

自 2013 年以來，德迪奧和合作者一直在發展他們想法背后的數學。在 2017年 5 月份發表在 Entropy 雜志上的一篇論文[4]中，霍爾將因果涌現置于更堅實的理論基礎上，表明宏觀尺度也可通過同樣的數學原理獲得因果效力。在數學上，糾錯碼 （error-correcting codes）增加了可以通過信息通道發送的信息量。正如代碼減少傳輸數據中的噪聲（以及不確定性）一樣——克勞德·香農（Claude Shannon）在1948年的見解構成了信息論的基石——霍爾聲稱宏觀狀態也減少了系統因果結構中的噪聲和不確定性，加強了因果關系并使系統的行為更具確定性。

“我認為這非常重要，”南非宇宙學家喬治·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系的文章[6]。埃利斯認為因果涌現可以解釋許多涌現現象，例如超導性和物質的拓撲相（topological phases）。研究人員說，像鳥群和超有機體這樣的集體系統，像晶體和波浪這樣的簡單結構，都可能表現出因果涌現。

關于因果涌現的工作尚未在物理學家中廣為人知，他們幾個世紀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行進一步的哲學思考。但在物理學、生物學、信息論和哲學之間的交界處，出現了挑戰，新想法激發了人們的興趣。它們在解釋世界及其奧秘方面的用途——包括意識、其他類型的涌現以及現實的微觀和宏觀層面之間的關系——將被歸結為棘手的因果關系概念：即，什么是因果關系？為什么是？“如果你把20名實驗科學家帶到一個房間里，問他們什么是因果關系，他們會對答案各抒己見。”德迪奧說，“我們對此感到很困惑。”

1. 有關原因的理論

在致命的酒后駕駛事故中，死亡原因是什么？醫生認為是器官損害，而心理學家則將其歸咎于決策能力受損，而社會學家則指出對酒精的寬容態度。生物學家、化學家和物理學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出來。事實上，當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，物理學家可以高精度地預測大型強子對撞機的粒子碰撞結果。在這種觀點中，只有當有太多變量需要跟蹤時，才難以根據第一性原理預測因果關系。

此外，哲學家們認為，同時存在于宏觀和微觀尺度上的因果效力是多余的。為避免重復計算，“排他論證（exclusion argument）”認為所有因果關系都必須源自微觀層面。但從宏觀實體的角度討論因果關系總是更容易。當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。談論因果關系的數學是一件大膽的事情。”

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。他在本科時學習創意寫作，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?為什么產生?我們如何擁有它？——他認為這是一個急需創造性的尚待研究的科學主題。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，他是當時唯一擁有科學的意識理論的人。

托諾尼將意識視為信息：它們是神經復雜網絡中編碼而非單個神經元狀態中比特（bits），這些神經元在大腦中連接在一起成為整體。托諾尼認為，這種特殊的“整合信息”對應于我們的主觀意識體驗到的統一、整合的狀態。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確和充分的意識引發了爭論。但是當霍爾于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學關系。科學家們后來專注于神經網絡中的整合信息量如何隨著時空尺度的層次結構而變化，觀察越來越大的神經元組之間的聯系。他們希望弄清楚哪種集成規模對應著最大的整合信息。霍爾為此自學了信息論，并陷入了關于意識、還原論和因果關系的哲學辯論。

霍爾很快發現，要理解意識如何在宏觀尺度上出現，需要一種量化大腦狀態因果效力的方法。他說，他意識到“因果關系的最佳衡量標準是比特。” 他還閱讀了計算機科學家和哲學家朱迪亞·珀爾[7]（Judea Pearl）的著作，后者在1990年代發展出了一種用于研究因果關系的邏輯語言，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，它表明特定狀態如何有效地影響系統的未來狀態。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準，不依賴于托諾尼關于意識的其他觀點。

研究人員表明，在簡單的神經網絡模型中，有效信息的數量隨著你對網絡中的神經元進行粗粒度化程度而增加。當神經元組被視為整個單元時，這些相互關聯的單元的可能狀態會形成因果結構，其中狀態之間的轉換可以使用馬爾可夫鏈（Markov chains）進行數學建模。在某個宏觀尺度上，有效信息達到峰值：這是系統狀態具有最大效力力量的尺度，它以最可靠、最有效的方式預測未來狀態。但進一步粗粒度，將開始丟失關于系統因果結構的重要細節。托諾尼及其同事假設，在大腦中，因果關系高峰的規模應該與有意識決策的規模相對應；根據腦成像研究，阿爾班塔基斯猜測這可能發生在神經元微柱（neuronal microcolumns）的規模上，它由大約100個神經元組成。

霍爾解釋說，因果涌現是可能的，因為隨機性和冗余性困擾著神經元的基本尺度。作為一個簡單的例子，他說想象一個由兩組10個神經元組成的網絡。A組中的每個神經元都與B組中的幾個神經元相連，當A組中的一個神經元激活時，通常會導致B中的一個神經元也激活。究竟哪個連接的神經元激發是不可預測的。例如，如果 A 組的狀態是 {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元，結果B組的狀態可以有無數種可能的1和0組合。平均而言，B組中的六個神經元會激活，但其中六個幾乎是隨機的，微觀狀態是不確定的。現在，假設我們對系統進行粗粒度處理，因此這一次，我們將所有A神經元組合在一起，并簡單地計算觸發的總數。A組的狀態是{6}。這種狀態很可能導致B組的狀態也為 {6}。顯然宏觀狀態更可靠有效，計算表明它具有更有效的信息。

現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，可能完全無法猜測你的原子狀態在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系是看起來更可靠。這是因果涌現一個超級簡單的例子。”

對于任何給定的系統，有效信息在具有最大和最可靠因果結構的尺度上達到峰值。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，但這也意味著產生了因果涌現。”霍爾說。

麥迪遜和紐約正在計劃進行腦成像實驗，霍爾已加入哥倫比亞神經科學家拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）的實驗室。兩個小組都將進行腦成像實驗，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該最可靠地預測未來的活動。正如霍爾所說，“大腦的因果結構從何而來？” 如果數據支持他們的假設，他們就會將結果視為更普遍的自然事實的證據。“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。“但如果我們確實發現因果涌現正在發生，則必須重新評估還原論假設，這可能會得到廣泛的應用。”

2. 新的哲學思維

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

在最近的其他工作[8]中，麥迪遜小組開發了一種測量因果涌現的方法，稱為“黑盒化（black-boxing）”，他們說這種方法適用于單個神經元。神經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，不對其內部工作做任何假設。“黑盒化是因果涌現的真正普遍形式，對生物和工程系統尤其重要，”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追溯到信息論的基礎。她說：“我們處于如此深刻的概念領域，并不清楚該往哪個方向發展，所以我認為這個領域的任何分歧都是好的和建設性的。”

惠頓學院的哲學家和物理學家羅伯特·畢曉普（Robert Bishop）說，“我認為有效信息是一種有用的涌現衡量標準，但可能不是唯一的衡量標準。” 霍爾的度量具有簡單的魅力，僅反映可靠性和因果關系的數量，但根據畢曉普的說法，它可能只適用于不同情況的幾種因果關系之一。

霍爾的想法并沒有給德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）留下深刻印象。他說，因果涌現的基本前提并不激進。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的還原論者會反對的東西。當然，您希望通過更高的抽象層次進行預測，并講述對預測有用的因果故事——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的要更進一步，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，因果涌現不僅僅關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。這種區別與哲學家大衛·查默斯（David Chalmers）對意識的分類有關：神經回路如何導致復雜行為的“簡單問題”和“困難問題”，本質上是問什么將有意識的生物與無生命的自動機區分開來。“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，她是紐約大學的哲學家，也是查爾默斯的門徒。她說，有效信息有可能“導致真正的本體論出現，但這需要對法律、權力的本質以及它們之間的關系進行一些新的哲學思考。”

對霍爾和阿爾班塔基斯打擊最大的是一位物理學家在聽到這個想法時做出的批評。物理學家斷言，這些都是噪聲，作為因果涌現的驅動力并不真正存在；噪聲不過是物理學家所謂的的模型要忽略的東西。“這是一個典型的物理學觀點，”阿爾班塔基斯說，“如果你知道整個宇宙的確切微觀狀態，那么我可以預測直到時間結束會發生什么，也沒有理由談論諸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。即使宇宙可以被認為是一個自主進化的整個單元，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，“因果關系真的是確定在整個宇宙狀態中組成的實體所必需的度量或量嗎？因果關系是你需要給與宇宙結構的什么。” 將因果關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。如果這些科學家是對的，那么從數學上講，因果涌現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，等等只是談論的話。但現在你卻可以說，‘系統就在這兒了（連同高階因果事件），來證偽吧！。”

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