導語

“涌現(xiàn)”是理解復雜世界的核心，卻始終缺乏可操作的定義：滑翔機為何能在生命游戲中穩(wěn)定移動？意識、市場、生命為何呈現(xiàn)超越微觀粒子的結構？2024 年，圣塔菲研究院的Sean Carroll 與 Achyth Parola 從動力學與可計算性的視角，對涌現(xiàn)進行系統(tǒng)拆解，提出四類不同層級的涌現(xiàn)：從最弱的無結構涌現(xiàn)，到依賴局部構型的局部涌現(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)、生命與意識的層級結構提供了新的物理學語言。

關鍵詞：涌現(xiàn)、復雜系統(tǒng)、狀態(tài)空間、粗粒化、可計算性、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中無處不在，它讓我們即便在對微觀世界知之甚少的情況下，仍能有效描述、預測并操控宏觀現(xiàn)象。我們無需理解構成細胞的分子細節(jié)，也能研究免疫系統(tǒng)；無需掌握每一枚粒子的動力學，也能討論固體的彈性、市場的周期、甚至意識的結構。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，也是復雜系統(tǒng)科學試圖解釋的核心現(xiàn)象。

從狀態(tài)空間到映射：涌現(xiàn)的動力學判據(jù)

人們普遍認同涌現(xiàn)至關重要，但對于“涌現(xiàn)”一詞應作何解，卻遠未達成共識。圣塔菲研究院的 Sean M. Carroll和約翰霍普金斯大學的Achyth Parola在2024年的一項研究中，基于動力學和可計算性，對涌現(xiàn)給出了四種可操作的分類。

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

這套分類方式的亮點在于拋開“新穎性”“不可預測性”等主觀判斷，聚焦“狀態(tài)演化”與“系統(tǒng)分解”。他們假設所有理論都由狀態(tài)空間 + 演化規(guī)則構成，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“動力學核心判據(jù)”

無結構涌現(xiàn)(featureless emergence）

其定義是存在一個粗?；成?，且該映射與時間演化算符可交換（commutes with time evolution）。

為何叫無結構？傳統(tǒng)涌現(xiàn)討論默認：宏觀整體大于微觀部分之和，但無結構涌現(xiàn)的微觀系統(tǒng)無內(nèi)在子系統(tǒng)結構，無法自然拆為獨立“部分”。 整體先于部分，部分只是宏觀粗?；漠a(chǎn)物，而非微觀本體的構成單元。

因此，無結構指微觀層面缺乏可識別的、動態(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力學約束下的粗?；a(chǎn)物；它們在基礎量子層面并不作為獨立實體存在。

局部涌現(xiàn)（local emergence）

該類滿足無結構涌現(xiàn)的全部條件，且附加如下結構要求： 微觀理論與宏觀理論均具有子系統(tǒng)分解結構；每個宏觀子系統(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)至多只貢獻給一個宏觀子系統(tǒng)（即無跨宏觀單元共享）。

其典型案例是Ising模型，流體力學，以及康威生命游戲中的“滑翔機”（Glider），以生命游戲為例子，微觀的2D格點中，每個格子為0/1，依照局部規(guī)則演化。宏觀的圖案“滑翔機”——由5個活細胞構成的、能穩(wěn)定移動的圖案。映射規(guī)則會判定某區(qū)域是否構成一個滑翔機。

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

前者可高度壓縮，存在簡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雜：最短描述接近查表，需枚舉微觀構型。例如生命游戲中的滑翔機：需精確匹配5格點的特定形狀。蛋白質(zhì)折疊問題中，功能構象也與氨基酸序列無簡單映射，這一類涌現(xiàn)的認知驚奇度更高。

科學成功往往依賴直接涌現(xiàn)（如熱力學），而復雜系統(tǒng)（生物、社會）中大量現(xiàn)象更接近不可壓縮涌現(xiàn)，例如我們能識別模式（如“市場泡沫”），卻難以簡潔定義它。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)構成；其定義或相互作用依賴全局微觀狀態(tài)，即宏觀實體和其動力學不由局域聚集的微觀子系統(tǒng)構成，也不繼承微觀層面的局域性（locality）。出現(xiàn)非局部涌現(xiàn)的關鍵機制是微觀演化方程中，出現(xiàn)一個全局“濾波”項，僅當系統(tǒng)處于特定宏觀構型時激活。

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，而宏觀體現(xiàn)為“憤怒”“信念”等心理狀態(tài)?！皯嵟睙o法定義為前額葉某1000個神經(jīng)元的平均放電率，它依賴全腦動態(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應的獨立變量（independent variables）。

這類涌現(xiàn)中，微觀到宏觀的映射不再是函數(shù)，而是一個二元關系（binary relation）：單個微觀態(tài)a可僅僅因為宏觀態(tài)度（即觀察者所采取的描述層次、關注焦點與認知框架）不同，對應多個宏觀態(tài)。例如強涌現(xiàn)下的意識觀，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型函數(shù)。

用于考察生命起源的組裝理論（assembly theory），同樣對應增廣涌現(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，無法由當前物理狀態(tài)反推。

從四類涌現(xiàn)看待自然：復雜性研究的新語言

這套分類框架為長期模糊的“涌現(xiàn)問題”提供了一種可計算、可檢驗的語言，也為討論意識、生命、社會系統(tǒng)等前沿問題建立了清晰的結構化基線。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)是否真實存在的方法，若在意識/生命系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性偏離微觀預測（且排除所有隱變量），則說明科學研究的范式需要考慮不同尺度存在獨立本體的可能性，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行完整程序，那這些高層鏈接庫就如同一個幽靈變量，例如自由意志，意識一樣難以琢磨。當所有壓縮、非局域、濾波機制都失效時，我們該如何面對這樣的幽靈變量，這個問題，值得用最嚴謹?shù)奈锢韺W語言和最開放的思維去追問。

因果涌現(xiàn)讀書會第六季

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

為了系統(tǒng)梳理因果涌現(xiàn)最新進展，北京師范大學系統(tǒng)科學學院教授、集智俱樂部創(chuàng)始人張江老師領銜發(fā)起，組織對本話題感興趣的朋友，深入研讀相關文獻，激發(fā)科研靈感。

讀書會從2025年3月16日開始，每周日早9:00-11:00，持續(xù)時間預計10周左右。每周進行線上會議，與主講人等社區(qū)成員當面交流，之后可以獲得視頻回放持續(xù)學習。誠摯邀請領域內(nèi)研究者、尋求跨領域融合的研究者加入，共同探討。

詳情請見：

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