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[转载]自上而下因果关系特刊：物理、生物、社会中的因果涌现

2022-04-14 14:47阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1629257323

https://mp.weixin.qq.com/s/FFRQJ1V0jq0sxDxDsKM08A
导语
自上而下的因果关系在复杂系统中是否普遍存在？涌现是真实存在的或只是因果作用的附属现象？物理、生物、社会等不同系统中的因果关系和涌现各有何异同？英国皇家学会旗下交叉学科期刊Interface Focus的2012年2月刊以“Top-down causation”为主题，收录15篇文章，从科学与哲学的角度讨论了自上而下因果关系的存在、普遍性，并探索了因果涌现在各类不同复杂系统中的共性、差异、未来研究方向。我们翻译了该期的1篇文章全文及14篇文章的摘要部分，供对因果涌现问题感兴趣的朋友参考。
由北京师范大学教授、集智俱乐部创始人张江等发起的「因果涌现」系列读书会已于8月14日启动，共读硬核文献，梳理因果涌现理论、机器学习重整化技术、自指动力学等近年来新兴的理论与工具。读书会将持续7-8周，欢迎感兴趣的朋友参与，详情见文末。
研究领域：复杂系统，自上而下因果关系，涌现，层级，跨尺度，还原论

图片 George F. R. Ellis、Denis Noble、Timothy O'Connor等 | 作者
刘培源、Leo、李明章、王百臻 | 译者
邓一雪 | 编辑


引言：自上而下的因果关系：
综合科学内与外的主题？
Top-down causation: an integrating theme within and across the sciences?
作者：George F. R. Ellis、Denis Noble、Timothy O'Connor
发表时间：2011年11月23日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0110

自上而下的因果关系（top-down causation）
自上而下（top-down）是指较高层次或系统性特征，塑造较低层次的动力学过程。一种自上而下的因果关系包括排除无组织物质中存在的多种形式的物理可能性的约束，这些可能性会导致系统的分解。一个更强、更有争议的变化将涉及更高层次的特征，对更低层次的过程施加不可约的、生产性的因果影响。
本期的重点是“自上而下（向下）因果关系”（'top-down'(downward) causation）。然而，这个标题已经提出或引出了许多问题。因果关系可以有很多种。它们构成了我们对世界的科学理解方式——甚至所有方式，从作为基本对象相互作用的因果概念，到对整个系统运动的吸引子的更整体的概念，再到生态系统背景下的适应性选择。至于“上”和“下”（top and down），在目前的科学背景下，显然只是隐喻，正如本期杂志的一些文章所阐明的那样。因此，我们知道我们在说什么吗？本期内容基于英国皇家学会一次包括哲学家和科学家的会议，其中一些人（Jeremy Butterfield、Barry Loewer、Alan Love、Samir Okasha 和 Eric Scerri）为本期贡献了文章。我们还要感谢那些只对讨论会做出贡献的人（Claus Kiefer, Peter Menzies, Jerome Feldman and David Papineau），他们的贡献也很有价值，不论是在会议上和还是对其他人文章的影响。导论还包含了一个词汇表（见文末），由我们中的 O'Connor 编写。澄清词汇的使用及其语义框架有重要的哲学作用，这在会议的讨论中很明显，在本刊发表的许多文章中也很明显。此外，哲学分析不局限于专业哲学家的论文。自上而下因果关系的概念与涌现的概念密切相关——事实上它是更坚实的涌现理论的关键因素。


1. 涌现真的存在吗？还是仅仅是一种附属现象？
对于自上而下的因果关系的真实性，科学界和哲学界有着不同的观点。本刊文章的目的是提供让科学家和哲学家都信服的答案。这需要进行跨学科的对话，我们希望本刊能够做到这一点。本期内容涉及物理学（Bishop [1] ; Loewer [2]）、化学（Scerri [3]）、微生物学（Jaeger & Calkins [4]）、表观遗传学（Davies [5]）、进化生物学（Okasha [6]）、生理学（Noble [7]）、神经科学/心理学/认知科学（bernet al. [8] ; Atmanspacher [9]）、社会科学（Elder-Vass [10]）和计算机科学（Booch [11]）。许多例子为自上而下因果关系提供了很好的证据。因此，在生理学上，它被认为理所当然，在认知科学中也至关重要。更清楚地了解因果关系的性质和种类，是评估这些证据时的关键因素（Butterfield[12] ; Love [13]）。
2. 它能够成为科学内部和跨科学领域的一个整合性主题吗？
这个问题一方面出现在某个科学领域内部，例如从粒子物理学到核物理学，从核物理学到原子物理学等等，另一方面又跨越不同的科学领域：例如从物理学到化学，从化学到微生物学，从心理学到社会学等等。这就是问题所在——是否存在一种上述的自上而下的因果关系 (Ellis [14])？如果答案为真，那么问题不在于证明某一类自上而下的因果关系是普遍存在的，而在于考虑它（以及自下而上的因果关系）是否本就在现实世界中普遍存在，只是形式或种类不同。
3. 研究路线图
本期发表的文章表明，有确凿的证据表明，自上而下的因果关系确实存在于所有科学领域，从物理学[1,2]到微生物学[4,5]到生理学[7]到社会学[8,10] ，在每一个领域，这个概念都有相当大的解释力。然而，它仍然是有争议的主题，例如Scerri的文章展示了在化学情景中的不同观点。与自上而下因果关系观点密切相关的，有复杂性的情境涌现（contextual emergence of complexity）概念[1,9]，以及与还原论（reductionism）相关讨论——本刊作者之一主张[14]真正的复杂性不能仅仅以自下而上的方式出现。这尤其得到自上而下效应的支持，它在生理学、大脑和社会运作中都可以被看到。然而，因果关系是多方面和复杂的[13]。与自下而上的因果关系一样，自上而下的因果关系应被视为层次结构中相邻层次之间的一种层间现象。正如自下而上的因果关系并不（清楚地）意味着存在一个明确可识别的底层（bottom-level），自上而下的因果关系也不一定意味着存在一个明确可识别的顶层（topmost-level）[11]。

 在哲学层面上，未来还需要进一步上展开讨论，既要涉及自上而下因果关系的一般概念及其一般性质，又要涉及在具体科学中实现这一概念的方式。本刊中Butterfield、Bishop、Loewer和Love的论文为进一步探讨哲学方面的问题提供了良好的基础，尤其是通过研究更高层次和更低层次的动作怎样相互融合，以及进一步发展等价类[4,14]的存在与自上而下的因果效应之间的关系。它们的存在是多重可实现性的结果，它支撑了宏观状态熵的概念：这种关系在一般情况下需要进一步发展（在统计物理学中这种关系发展得很好）。特别关键的问题是，什么时候能或不能通过对较低层次的变量进行粗粒化来获得较高层次的变量[14] : 从物理学到社会科学等不同背景下的讨论的发展将是非常有用的。本期论文未涉及的一个问题是，如何在真正复杂的结构中，如一般的相互作用网络，特别是在大脑中，确定因果关系和涌现的程度；在这一领域正在进行技术讨论。显然需要进一步讨论的另一方面是自上而下的因果关系、复杂性的情境涌现和还原论之间的关系[8,9]。在哲学讨论中，这种关系有时是被认为在基础物理学“因果完备性（causal completeness）”的背景下考虑的[15,16]。
 然后有必要在每个特定领域进一步讨论，化学[3]和进化论[6]是特别有争议的例子，它们需要更清晰（实际上甚至化学键的概念也存在问题：见 Ball [17]）。自上而下的因果关系在几乎所有关于大脑功能和社会互动的整体讨论中都非常流行，但也许并不经常被认同。因此在特定领域对因果关系的认定是有用的。这里重要的是确定哪些不同类型的自上而下的因果关系应得到确认[13,14]；这需要进一步讨论。
 两个特定问题可能是使这个想法在更广泛的科学界容易被接受的关键。首先，尽管在生理学等较高层次上自上而下因果被普遍认为是理所当然的，但在物理学界却没有取得多少进展（因为物理决定论的强烈意识使得自下而上的因果观念盛行），而在分子生物学和神经科学界，简化论机械论的解释占主导地位[18]。它们之所以普遍存在，正是因为它们非常成功；但是可以争论的是，它们都只是起作用的因果关系的一部分（这是本文许多论文的责任）。要在这方面取得进展，一个关键的需要是证明自上而下的因果关系在物理学自身中也很普遍。Laughlin[19]在不久前强烈地提出了这一观点，但他的论文没有产生什么影响。Bishop的论文在这方面是一个受欢迎的贡献；我们中一位最近的论文在量子物理[20]和时间箭头[21]这两个重要的物理学基础领域都强有力地证明了这一点。
 其次，本期中的论文主要是对科学已知方面的解释，即事后解释。至关重要的是对新测试的预测，这将证实自上而下因果关系的假设是真实的，而不仅仅是一种附带现象（epiphenomenon）。在这方面，Jaeger（微生物学）和Noble（生理学）的论文迈出了有力的一步。这可能是所有领域中最需要完成的领域。在这方面取得显著进展的领域是表观遗传学[22]和社会神经科学[23]。这些论文实际上是在处理自上而下的因果关系：它们提供这一概念的实证方式需要更加明确。
参考文献
[1]. Bishop, R. C. 2012 Fluid convection, constraint and causation. Interface Focus 2, 4–12. (doi:10.1098/ rsfs.2011.0065)[2]. Loewer, B. 2012 The emergence of time’s arrows and special science laws from physics. Interface Focus 2, 13–19. (doi:10.1098/rsfs.2011.0072)[3]. Scerri, E. R. 2012 Top-down causation regarding the chemistry–physics interface: a sceptical view. Interface Focus 2, 20–25. (doi:10.1098/rsfs.2011.0061)[4]. Jaeger, L. & Calkins, E. R. 2012 Downward causation by information control in micro-organisms. Interface Focus 2, 26–41. (doi:10.1098/rsfs.2011.0045)[5]. Davies, P. C. W. 2012 The epigenome and top-down causation. Interface Focus 2, 42–48. (doi:10.1098/rsfs. 2011.0070)[6]. Okasha, S. 2012 Emergence, hierarchy and top-down causation in evolutionary biology. Interface Focus 2, 49–54. (doi:10.1098/rsfs.2011.0046)[7]. Noble, D. 2012 A theory of biological relativity: no privileged level of causation. Interface Focus 2, 55–64. (doi:10.1098/rsfs.2011.0067)[8]. Berntson, G. G., Norman, G. J., Hawkley, L. C. & Cacioppo, J. T. 2012 Evolution of neuroarchitecture, multi-level analyses and calibrative reductionism. Interface Focus 2, 65–73. (doi:10.1098/rsfs.2011.0063)[9]. Atmanspacher, H. 2012 Identifying mental states from neural states under mental constraints. Interface Focus 2, 74–81. (doi:10.1098/rsfs.2011.0058)[10]. Elder-Vass, D. 2012 Top-down causation and social structures. Interface Focus 2, 82–90. (doi:10.1098/rsfs. 2011.0055)[11]. Booch, G. 2012 The large-scale structure of softwareintensive systems. Interface Focus 2, 91–100. (doi:10. 1098/rsfs.2011.0066)[12]. Butterfield, J. 2012 Laws, causation and dynamics at different levels. Interface Focus 2, 101–114. (doi:10.1098/ rsfs.2011.0052)[13]. Love, A. C. 2012 Hierarchy, causation and explanation: ubiquity, locality and pluralism. Interface Focus 2, 115–125. (doi:10.1098/rsfs.2011.0064)[14]. Ellis, G. F. R. 2012 Top-down causation and emergence: some comments on mechanisms. Interface Focus 2, 126–140. (doi:10.1098/rsfs.2011.0062)[15]. O’Connor, T. & Churchill, J. R. 2010 Nonreductive physicalism or emergent dualism? The argument from mental causation. In The waning of materialism: new essays (eds G. Bealer & R. Koons), pp. 261–279. Oxford, UK: Oxford University Press.[16]. O’Connor, T. & Yu Wong, H. 2011 Emergent properties. The Stanford encyclopedia of philosophy. See http://plato.stanford.edu/entries/properties-emergent/.[17]. Ball, P. 2011 Beyond the bond. Nature 469, 26–28. (doi:10.1038/469026a)[18]. Crick, F. 1995 The astonishing hypothesis: the scientific search for the soul. New York, NY: Scribner.[19]. Laughlin, R. B. 1999 Fractional quantisation. Rev. Mod. Phys. 71, 863–874. (doi:10.1103/RevModPhys.71.863)[20]. Ellis, G. F. R. 2011 On the limits of quantum theory: contextuality and the quantum-classical cut. (http://arxiv.org/abs/1108.5261v3)[21]. Ellis, G. F. R. 2011 The arrow of time, the nature of spacetime, and quantum measurement. See http://www.mth.uct.ac.za/~ellis/Quantum_arrowoftime_gfre.pdf.[22]. Nature Neuroscience. 2010 Special focus on epigenetics. Nat. Neuro

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