導(dǎo)語(yǔ)

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，“整體大于部分之和”是我們對(duì)其涌現(xiàn)現(xiàn)象的簡(jiǎn)單描述。涌現(xiàn)背后是否存在可度量的因果？本期我們?cè)L談了北京師范大學(xué)張江教授，聚焦其“因果涌現(xiàn)”理論展開，談一談科學(xué)家怎樣自上而下地定義涌現(xiàn)，如何從數(shù)據(jù)中自動(dòng)找到簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)的粗粒化規(guī)則，以及它和AI、和意識(shí)研究又有怎樣深刻的關(guān)聯(lián)。

張江丨受訪者

集智俱樂(lè)部｜整理

目錄

1. 如何理解涌現(xiàn)？

2. 科學(xué)家通常怎么研究涌現(xiàn)？

3. 因果涌現(xiàn)和傳統(tǒng)方法有啥不同？

4. 它到底想回答哪些難題？

5. 因果涌現(xiàn)能幫助理解AI嗎？

6. 因果涌現(xiàn)強(qiáng)弱為何與時(shí)間反演對(duì)稱相關(guān)？

7. 它能不能為破解意識(shí)帶來(lái)新思路？

8. 未來(lái)因果涌現(xiàn)研究會(huì)走向哪里？

因果涌現(xiàn)的核心理解

Q1：如何理解涌現(xiàn)？

：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，涌現(xiàn)就是指整體大于部分之和。也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)形成一個(gè)整體的時(shí)候，它在宏觀層面就會(huì)展現(xiàn)出一些特性，而這些特性很難簡(jiǎn)單地歸因于每一個(gè)個(gè)體或每一個(gè)單元的特性。因此，這種特性就被稱為涌現(xiàn)的屬性。涌現(xiàn)而出的不僅僅是這種特性，而且有時(shí)候它會(huì)展現(xiàn)出一種規(guī)律。比如，像規(guī)模法則，當(dāng)系統(tǒng)在變大的時(shí)候，它的新陳代謝與體重規(guī)模之間會(huì)有一個(gè)冪律關(guān)系。像這樣一種可以用數(shù)學(xué)方程去描述的規(guī)律，也被稱為涌現(xiàn)的。

圖1：體重和新陳代謝之間的冪律關(guān)系， = 3/4，F(xiàn)：新陳代謝，縱軸（total metabolic rate），M：生物體重，橫軸（body mass）

Q2：科學(xué)家通常怎么研究涌現(xiàn)？

：通常，涌現(xiàn)研究是一種所謂的自下而上的、以微觀為基礎(chǔ)的研究。它的研究方式，基本就是試圖找到一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)在個(gè)體層面遵循的相互作用規(guī)則、規(guī)律或方程，然后我們可以在計(jì)算機(jī)里面、或者是用一個(gè)數(shù)學(xué)方程，去整體描述整個(gè)系統(tǒng)的相互作用、大量個(gè)體的相互作用，從而復(fù)現(xiàn)出真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)中的這些涌現(xiàn)規(guī)律。因此，這是一種目前來(lái)看科學(xué)家們最主要使用的研究涌現(xiàn)的手段。

Q3：因果涌現(xiàn)和傳統(tǒng)方法有什么不同？

：因果涌現(xiàn)是一個(gè)研究涌現(xiàn)的不同視角。它并不試圖從微觀到宏觀，去解釋一個(gè)個(gè)涌現(xiàn)現(xiàn)象的發(fā)生。因?yàn)槟菢尤ソ忉尩脑?，?shí)際上基本上找不到通用性，你只能針對(duì)一種涌現(xiàn)現(xiàn)象找到一種解釋模型，另一種現(xiàn)象的時(shí)候就會(huì)換一種模型。但是，這個(gè)因果涌現(xiàn)跟以往的涌現(xiàn)研究非常不同的點(diǎn)，就是在于它試圖自上而下地去找到一種涌現(xiàn)的描述性定義，這是它非常不同的點(diǎn)。這樣的話，它的一個(gè)好處就是在于，它可以針對(duì)不同的涌現(xiàn)現(xiàn)象，給出一個(gè)統(tǒng)一的量化的定義。當(dāng)然，它的缺點(diǎn)也是很明顯，就是它無(wú)法去刻畫究竟是什么機(jī)制產(chǎn)生這種涌現(xiàn)現(xiàn)象。

Q4：它到底想回答哪些難題？

：實(shí)際上，因果涌現(xiàn)面向的研究對(duì)象是各式各樣的動(dòng)力系統(tǒng)。這樣一個(gè)系統(tǒng)，無(wú)論是復(fù)雜的還是簡(jiǎn)單的，只要能抽象成一個(gè)馬爾科夫鏈，或者說(shuō)一個(gè)馬爾科夫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，那么實(shí)際上都可以用因果涌現(xiàn)這個(gè)框架來(lái)對(duì)它加以刻畫。

它要解決的科學(xué)問(wèn)題，第一是判斷涌現(xiàn)的發(fā)生，也就是說(shuō)給你這樣一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)以后，這個(gè)背后它是不是有涌現(xiàn)現(xiàn)象，這是第一點(diǎn)。第二點(diǎn)，它還能夠找到涌現(xiàn)的宏觀動(dòng)力學(xué)，也就是說(shuō)我對(duì)一個(gè)很大的系統(tǒng)，能否用一種更加簡(jiǎn)化的方式去描述它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第三點(diǎn)，就是找到從微觀到宏觀的這個(gè)過(guò)渡，也就是我們常說(shuō)的所謂的粗粒化的方法，也就是你如何把一個(gè)復(fù)雜的、大型的系統(tǒng)給它簡(jiǎn)化成一個(gè)小型系統(tǒng)，這種簡(jiǎn)化的規(guī)則是什么，它也能找到。

圖2：粗?；纠龍D，尋找到復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)單規(guī)則

比如說(shuō)我們以鳥群作為一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)的分析例子來(lái)說(shuō)。那么如果采用一個(gè)因果涌現(xiàn)的視角，它就會(huì)先去找一些宏觀變量，比如說(shuō)我們找到的宏觀變量就是每一群鳥的重心這個(gè)位置，假如說(shuō)重心也是一個(gè)動(dòng)點(diǎn)，那么它也會(huì)隨著這個(gè)鳥群的飛行而產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動(dòng)的軌跡。那么因果涌現(xiàn)它就會(huì)自動(dòng)能夠識(shí)別出來(lái)這種軌跡，并且能夠比較你這個(gè)重心飛行的軌跡和你這些個(gè)體的鳥飛行的軌跡，哪一個(gè)因果性更強(qiáng)，它就能夠計(jì)算出來(lái)。另外一個(gè)就是說(shuō)，如何從一群鳥的這個(gè)軌跡得到這個(gè)重心，這樣的一個(gè)粗?；姆绞剑材軌蛘业健?/p>

AI與因果涌現(xiàn)

Q5：因果涌現(xiàn)能幫助理解AI嗎？

：實(shí)際上，整個(gè)因果涌現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，它是和World Model相似。比如說(shuō)這個(gè)在強(qiáng)化學(xué)習(xí)里面，我們建立一個(gè)agent模型，那么比較好的一種建模方法，就是要讓這個(gè)agent內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)小的世界模型，相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)嵌的虛擬世界。那么agent要先去學(xué)習(xí)這個(gè)虛擬世界的動(dòng)力學(xué)，再跟這個(gè)真實(shí)世界進(jìn)行互動(dòng)。那么這個(gè)時(shí)候，它的學(xué)習(xí)效率以及它的這種規(guī)劃能力，就會(huì)變得更強(qiáng)，這就是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的所謂的基于World Model的這種建模方式。

比較有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上因果涌現(xiàn)這個(gè)框架和內(nèi)嵌World Model的agent，其實(shí)是存在著一個(gè)非常相似的這種結(jié)構(gòu)特性，如果把a(bǔ)gent所在的環(huán)境看做是因果涌現(xiàn)中的微觀動(dòng)力學(xué)，那么World Model就對(duì)應(yīng)了宏觀動(dòng)力學(xué)。因此，我們說(shuō)因果涌現(xiàn)這個(gè)框架，不僅僅能夠描述一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，而且它還可以抽象一個(gè)認(rèn)知或者是建模的主體，比如說(shuō)一個(gè)人、或者說(shuō)一個(gè)AI、一個(gè)智能體。那么實(shí)際上，也可以用因果涌現(xiàn)的框架去描述它。那么有了這樣一套描述，好處就在于，它遵循了兩條重要的原則，第一條，它是要把這個(gè)外界世界盡可能預(yù)測(cè)地準(zhǔn)，這是一個(gè)。另外一個(gè)重要的原則，就是它不僅僅要追求準(zhǔn)確，還要追求因果的最大化，也就是說(shuō)，它的World Model是一個(gè)因果性非常強(qiáng)的這種世界模型，這個(gè)時(shí)候agent才會(huì)具有一個(gè)內(nèi)在的審美觀點(diǎn)。

因果涌現(xiàn)與時(shí)間反演對(duì)稱的聯(lián)系

Q6：因果涌現(xiàn)強(qiáng)弱為何與時(shí)間反演對(duì)稱相關(guān)？

：這個(gè)發(fā)現(xiàn)也是讓我們自己覺(jué)得很意外的。首先就是動(dòng)力學(xué)可逆性，這是一個(gè)在物理學(xué)里面一個(gè)非常重要的概念，跟時(shí)間之箭、時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方向、熱力學(xué)第二定律，實(shí)際上是密切相關(guān)的。我們都知道，這個(gè)世界的時(shí)間是不能倒流的，但是實(shí)際上這個(gè)不能倒流，它也有一個(gè)前提條件，就是你在宏觀去討論這個(gè)問(wèn)題，你看到是我們?nèi)粘５倪@種宏觀世界，那它的確，這個(gè)時(shí)間箭頭是不能夠倒著運(yùn)轉(zhuǎn)的。這個(gè)背后，實(shí)際上是聯(lián)系著著名的熱力學(xué)第二定律，因?yàn)殪厥且恢辈煌５卦黾?，因此時(shí)間不能倒流。但是如果你的觀察視角，如果能夠進(jìn)到微觀粒子這個(gè)層面，甚至于你不去對(duì)這個(gè)系統(tǒng)做測(cè)量，而是保持它的這種量子態(tài)，我們知道，實(shí)際上這個(gè)系統(tǒng)，它的時(shí)間是沒(méi)有箭頭的，它往前走和往后走，實(shí)際上是一樣的。那這個(gè)不是我隨便亂說(shuō)的，這是物理學(xué)基本的規(guī)律，它就告訴我們，實(shí)際上，這個(gè)最基本的量子層面的物理學(xué)規(guī)律，實(shí)際上是一種時(shí)間反演對(duì)稱的。

那么我們意外地就發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力學(xué)上的可逆性實(shí)際上是跟因果性是密切相關(guān)的。為什么會(huì)這樣呢？實(shí)際上我們的研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你給定因變量和果變量的時(shí)候，就是你不去討論其它因素的干擾，只考慮因變量和果變量，這一對(duì)變量，那么這個(gè)時(shí)候，二者之間，它會(huì)有一個(gè)因果效應(yīng)的強(qiáng)度，也就是說(shuō)你干預(yù)一下因變量以后，這個(gè)果變量有多大程度跟著一起做出精確的反應(yīng)，那實(shí)際上這個(gè)就刻畫出來(lái)因果變量之間的所謂的因果效應(yīng)的強(qiáng)度。那么我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種因果效應(yīng)的強(qiáng)度，就跟整個(gè)因、果這兩個(gè)變量，如果把它看成是一個(gè)動(dòng)力學(xué)的話，它的動(dòng)力學(xué)的可逆性，就密切相關(guān)了。

當(dāng)因果這個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)函數(shù)映射，或者構(gòu)成一個(gè)馬爾科夫的動(dòng)力學(xué)的時(shí)候，那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它越是可逆的，也就意味著它的因果效應(yīng)就會(huì)越強(qiáng)，否則的話，它越是不可逆的一個(gè)系統(tǒng)，它的因果效應(yīng)，其實(shí)也就越弱。因此，我們就建立一種等價(jià)的關(guān)系，也就是一個(gè)因果變量的這種系統(tǒng)，它的因果效應(yīng)強(qiáng)度，和它的動(dòng)力學(xué)的可逆性程度，其實(shí)是密切相關(guān)的。這個(gè)是在我們的論文里面，有大量的從數(shù)值角度、從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的這個(gè)角度，都給出了相應(yīng)的這個(gè)推論和驗(yàn)證。因此，這二者建立等價(jià)性以后，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，因果涌現(xiàn)整個(gè)這個(gè)框架，其實(shí)完全可以把它翻譯成是一種動(dòng)力學(xué)可逆性的涌現(xiàn)。那換句話說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了因果涌現(xiàn)的時(shí)候，實(shí)際上也就意味著它的動(dòng)力學(xué)層面，發(fā)生了一個(gè)可逆性的這種涌現(xiàn)。原本是一個(gè)動(dòng)力學(xué)上可能不那么可逆的系統(tǒng)，那么當(dāng)你粗?；院?，它可能變成是一個(gè)可逆的這種動(dòng)力學(xué)，那么這個(gè)時(shí)候我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)，發(fā)生了一個(gè)可逆性的涌現(xiàn)。

那么既然二者都是等價(jià)的，那你為什么又要換一種說(shuō)法，非要用可逆性的角度去描述同樣的這種因果涌現(xiàn)呢？其實(shí)這個(gè)背后，有一個(gè)更高層次的，我覺(jué)得是審美上的一種追求吧。那實(shí)際上動(dòng)力學(xué)可逆性，它其實(shí)跟時(shí)間的反演對(duì)稱性有關(guān)，那換句話說(shuō)，也就是說(shuō)這個(gè)可逆性，它其實(shí)是跟對(duì)稱性有關(guān)，這也是物理學(xué)還有大自然充滿了一種優(yōu)美的一種特性。因此，當(dāng)我們追求因果涌現(xiàn)的時(shí)候，其實(shí)我們也是在追求一種對(duì)稱性的涌現(xiàn)，這是一個(gè)智能體所要追求的目標(biāo)。那么這個(gè)目標(biāo)就很符合整個(gè)物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)精神，以及我們對(duì)大自然這種審美的一種追求。

對(duì)意識(shí)的探索

Q7：因果涌現(xiàn)能不能為破解意識(shí)帶來(lái)新思路？

：我們開發(fā)了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)的框架，這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)框架能夠自動(dòng)地從數(shù)據(jù)之中來(lái)識(shí)別出因果涌現(xiàn)的發(fā)生，以及學(xué)習(xí)出來(lái)它的宏觀動(dòng)力學(xué)和它的粗粒化函數(shù)，或者說(shuō)粗粒化的這種方法。那么我們最近的一些研究也已經(jīng)表明了，就是我們用因果涌現(xiàn)這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)的框架，去對(duì)這個(gè)復(fù)雜的，比如像大腦里面的這個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，那就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是能夠發(fā)現(xiàn)一系列不同層級(jí)的這種因果變量，而這些因果變量，很有可能就跟大腦之中的意識(shí)現(xiàn)象密切相關(guān)。

因此，因果涌現(xiàn)也會(huì)跟意識(shí)這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)非常深刻的聯(lián)系。我們知道就是因果涌現(xiàn)這個(gè)理論框架的提出者，它的通訊作者實(shí)際上和意識(shí)中的整合信息論的提出者是同一個(gè)人，就是意大利的神經(jīng)科學(xué)家Giulio Tononi（朱利奧·托諾尼）。所以你就能看出來(lái)，實(shí)際上因果涌現(xiàn)的研究是幫助我們破解意識(shí)之謎必不可少的一個(gè)理論工具，也是研究人工智能，讓人工智能如何更加優(yōu)美地去對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，它也是一個(gè)必不可少的一個(gè)工具。

走向?qū)ΨQ性的涌現(xiàn)

Q8：未來(lái)因果涌現(xiàn)研究會(huì)走向哪里？

：首先，我們將在理論層面進(jìn)一步突破。正如剛才所述，我們通過(guò)動(dòng)力學(xué)可逆性的研究，已經(jīng)嘗試在因果涌現(xiàn)和可逆性（也就是時(shí)間反演對(duì)稱性）二者之間架起一座橋梁。同時(shí)，這座橋梁讓我們更深入地看出，可能它背后所追求的，更多的是這種所謂的對(duì)稱性的涌現(xiàn)。因?yàn)楸旧黻P(guān)于大自然有一種說(shuō)法，就是之所以會(huì)呈現(xiàn)出今天所看到的這種復(fù)雜性，實(shí)際上是一種對(duì)稱性破缺的結(jié)果。

也就是說(shuō)，在宇宙演化的初期，整個(gè)宇宙實(shí)際上是高度對(duì)稱的，你可以理解成是個(gè)幾何體或者是個(gè)物體，但是由于各種原因，比如噪聲、觀察者的存在等等因素，那么大自然或宇宙就會(huì)發(fā)生不斷的一系列的這種對(duì)稱性破缺。因此，慢慢地很多的這種對(duì)稱性不再存在了，而破缺成了各種各樣的復(fù)雜性。那反過(guò)來(lái)講，對(duì)于一個(gè)智能體來(lái)說(shuō)，它卻是在歷經(jīng)一個(gè)反向的過(guò)程，也就是它面對(duì)的是這種嘈雜的、復(fù)雜的這種世界，試圖在這個(gè)背后去抽象出它可能存在的那種對(duì)稱性。這個(gè)是我們經(jīng)過(guò)這個(gè)因果涌現(xiàn)框架的研究最后悟到的?？赡苷f(shuō)跟宇宙的演化也密切相關(guān)的規(guī)則。因此，在這樣一個(gè)原理的制約下，我們猜測(cè)有可能存在一個(gè)普適的、更加廣義的涌現(xiàn)的原理，而不僅僅是局限在因果涌現(xiàn)上面。我們暫且把它叫做，比如說(shuō)“對(duì)稱性的涌現(xiàn)”。

很有可能，一個(gè)系統(tǒng)，無(wú)論你是不是動(dòng)力學(xué)，經(jīng)過(guò)粗?；院螅绻愕膶?duì)稱性能夠比原來(lái)的系統(tǒng)更高，無(wú)論你這個(gè)對(duì)稱性是，比如空間平移對(duì)稱性、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性等等，都有可能，只要你體現(xiàn)出更好的、更多的對(duì)稱性，我們都可以看成是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象。因此這樣的話，如果這個(gè)結(jié)論是成立的，那就是可以大大推進(jìn)我們對(duì)涌現(xiàn)的認(rèn)知。

本文根據(jù)訪談內(nèi)容進(jìn)行了書面化整理，內(nèi)容刪減僅涉及重復(fù)表述與非核心細(xì)節(jié)。

本文為科普中國(guó)創(chuàng)作培育計(jì)劃作品 受訪者：張江 北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授 創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：集智俱樂(lè)部 審核專家：劉宇 北京師范大學(xué)珠海校區(qū) 副教授 出品：中國(guó)科協(xié)科普部 監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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(wú)法通過(guò)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(lè)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)將從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(chéng)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。

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