自上而下因果关系特刊：物理、生物、社会中的因果涌现

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

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. Neurosci. (Special Issue)13, 1299–1327.[23]. Ambady, N. 2011 The mind in the world: culture and the brain. Assoc. Psychol. Sci. 24, 5–6 and 49.

（参考文献可上下滑动查看）

以下为Interface Focus当期另外14篇论文（研究论文及评述文章）及摘要：

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1. 流体对流、约束和因果关系

Fluid convection, constraint and causation

作者：Robert C. Bishop发表时间：2011年9月7日论文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0065

复杂性——即本文所指的非线性动力学，总是充满了形而上学和认识论的含义，但直到最近才有持续的哲学分析。我将讨论瑞利-贝纳德对流作为一个复杂现象的案例，讨论其中因果关系（causation）和约束（constraint）的微妙之处，并从中提取经验教训，以进一步对自上而下的约束和因果关系进行哲学反思，特别是在因果基础理论方面。

瑞利-贝纳德对流（Rayleigh–Bénard convection），流体从下方加热至某个临界温度时，在上层表面涌现出具规则的图形结构

2. 物理学中时间之箭

与特定科学定律的涌现

The emergence of time's arrows and special science laws from physics

作者：Barry Loewer

发表时间：2011年11月23日论文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0072

宏观世界的某些特征如何从基本微观物理学的规律和过程中涌现？这背后有两个问题，我将论证它们之间的重要联系，并提出一种回答这些问题的方法。该方法涉及到与会议所讨论的自上而下涌现完全不同的一种涌现，为此撰写了本文的早期版本。这两个问题是（i）“时间之箭”如何从微观物理学中形成？（ii）宏观的特定科学（macroscopic special science）的规律和因果关系如何从微观物理学中形成？对于那些像我一样思考某种形式的物理主义（我称之为微观物理完备性（micro-physical completeness, MC））的人，回答这些问题尤其迫切。根据MC，存在一些基本动力学法则（确定性地或概率性地）完全支配着所有微观物理事件的演变，不存在本体论上独立的自上而下因果关系。当然，MC并不意味着物理学家现在或将来会知道或提出完备的物理学定律。或者即使知道完备的定律，我们也会知道怎样把特定学科的属性和定律还原为基础物理学的属性和定律。相反，MC是一个关于我们世界规律的偶然的形而上学主张。在讨论这两个问题之后，我将讨论怎样从微观物理学中涌现出时间箭头和特定学科定律的关键点，以及热力学与基本动力学规律间关系的的特定说明。

3. 化学-物理界面的自上而下因果关系：

一个怀疑的观点

Top-down causation regarding the chemistry–physics interface: a sceptical view

作者：Eric R. Scerri发表时间：2011年11月9日论文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0061

本文分析了两位有影响力的作者——罗格斯大学的哲学与认知科学教授  Brian McLaughlin 和杜伦大学的哲学系教授 Robin Hendry 对化学-物理界面因果关系的讨论。他们对“涌现和‘自上而下’因果关系能否表现出真实现象”这一问题给出了相反的结论。McLaughlin 认为从量子力学的交付，涌现是不可能出现的，而 Hendry 则认为与分子结构状态相关的问题是支持涌现存在的依据。本文作者认为，在可能进一步研究之前，人们不应当偏信某一方的观点，并恳求对涌现和自上而下因果关系持不可知论态度。

4. 微生物中信息控制的自上而下因果关系

Downward causation by information control in micro-organisms

作者：Luc Jaeger、Erin R. Calkins发表时间：2021年9月23日论文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0045

生物系统中的功能等价类和信息控制理论对于描述合成生物学中反馈信息控制的自上而下因果关系非常有用。因此，我们重新分析了已发表的微生物学和合成生物学研究，这些实验研究证明了微生物生物体中存在几类功能等价物。细菌处理、控制基因编码信息的能力，即便不是通过控制信息的自上而下的因果关系（top-down causation，TDC）的证明，至少也能算是证据。本文提出的生物学框架揭示了这种因果关系是如何在细胞操作系统中发挥作用的。通过信息控制和适应性选择来分析自上而下的因果关系，可以描述生命系统不可缺少的特性，因此有助于合成生物学的发展。通过“逆向合成”生物学方法，上述观点有助于确定古代RNA和多肽演化为现代DNA、RNA和蛋白质的时间，以及分子复杂性出现的制约因素。总之，本文通过信息控制与自适应选择，提出了TDCs，用以作为生命中必然存在的两种自上而下因果关系。

细菌细胞的主要功能与信息网络

5. 表观基因组和自上而下因果关系

The epigenome and top-down causation

作者：P. C. W. Davies发表时间：2021年9月14日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0070

基因存储遗传信息，但实际基因表达往往取决于许多所谓“表观遗传”因素——包括DNA外部的物理和化学因素。表观遗传变化既能是可逆的，也能是可遗传的。基因组（genome）与具有特定位置的物理实体（DNA）相关联，而表观基因组（epigenome）则是一个全局性、系统性的实体。此外，基因组信息与存储在DNA中的特定编码分子序列相关联。尽管表观基因组信息可以与某些非DNA分子序列相关，但大多情况并非如此。因此，在信息论意义上似乎并不存在一个存储着的“表观遗传程序（epigenetic programme）”。相反，在很大程度上，表观基因控制是一种自发的自组织现象，表观遗传程序的实时运行，处在非线性分岔、连锁反馈回路、分布式网络、自上而下因果关系等复杂系统理论所熟悉的概念领域里。染色质结构、组织和动力学位于真核生命过程的中心。表观遗传学提供了自下而上遗传和自上而下表观遗传之间的因果关系如何交织的显著案例。接下来的本质问题是因果效应如何归因于生物信息。本文建议，通过将信息与染色质动力学相耦合，从而实现明确的自上而下因果关系，进而允许动力学规则和状态的协同演化，并开辟一个新的、能够展示丰富的自组织和自我复杂化行为的动力系统理论。

6. 进化生物学中的

涌现、层级和自上而下因果关系

Emergence, hierarchy and top-down causation in evolutionary biology

作者：Samir Okasha发表时间：2011年8月24日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0046

涌现的概念和与之相关的自上而下因果关系的概念，已经在许多科学分支中出现，在哲学中也有广泛的讨论。在此，我研究与进化生物学有关的涌现和自上而下因果关系，我关注进化生物学中关于“选择层次（levels of selection）”问题的古老又持续的讨论：自然选择在生物层级中的哪一级上发挥作用，基因、个体、种群还是物种？涌现的概念出现在“选择层级”相关文献中，它作为一种假定的方式，区分了高层级上“真正的”选择，与只在低层级发挥作用但具有渗透生物层级的效力，从而形成更高层级选择的情况。粗略来看，这个问题似乎与其他领域关于涌现的争论有着共同结构，但仔细观察就会发现，它开启的问题在生物学中独具一格。

7. 生物相对论：没有特权等级的因果关系

A theory of biological relativity: no privileged level of causation

作者：Denis Noble发表时间：2011年11月9日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0067

正如假设一个生物体完全由它的基因组定义一样，高层级的生物过程是否总是可以从低层级的数据和机制衍生出来？或者更高层级的属性必然导致更低层次的行为，包括行动和互动两种方式？本文利用心脏建模及其实验基础，表明自上而下的因果关系是必要的，这种形式的因果关系可以表示为初始条件和边界条件对于更低级别过程的微分方程解的影响。然后将这些见解概括化。先验地说，没有特定级别的因果关系。并讨论了这种形式的生物相对论（biological relativity）与物理学中的相对论形式之间的关系。生物相对论可以被看作是相对论原理的扩展，它避免了生物功能只限定在某个特定尺度的假设。

向上因果关系，生物学中的简化因果链

8. 神经构筑学的

进化、多层分析与校准还原论

Evolution of neuroarchitecture, multi-level analyses and calibrative reductionism

作者：Gary G. Berntson、Greg J. Norman、Louise C. Hawkley、John T. Cacioppo发表时间：2011年11月30日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0063

生物演化塑造了极其复杂的人类神经系统，让人类超越个体，构成复杂的社会。尽管这些功能是明确的，但背后的影响因素繁多且会互相影响，存在路径依赖。即便是受到了准随机遗传变异的适应性引导，但也会受到偶然因素的影响。如果存在不同的演化途径，同样的神经元所承担的功能就会与现代人类大脑中的功能明显不同。如果不对这些神经元做整体的研究，就无法从低层级的神经元分析出整体的神经网络的属性。因此，综合神经科学的多层次方法可能提供一个最佳策略。此外，校准还原论的过程，即来自一个组织或分析层面的概念和理解，可以相互告知和“校准”来自其他层面（包括更高和更低）的概念和理解。这一过程可能代表了科学中应用还原论的可行方法。这一点在社会神经科学中也尤其重要，因为在社会神经科学中，研究对象是由不同环境中的相互作用的生命体来定义的。

9. 从精神约束下的神经状态识别精神状态

Identifying mental states from neural states under mental constraints

作者：Harald Atmanspacher发表时间：2011年9月7日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0058

这篇文章强调了最近提出的科学描述的情境涌现的层级关系，如何结合“自下上和自上而下这两种影响。因为涌现往往出现于较低的层次中，自下而上的特征非常明显。但如果想要划分出更加严格的层次，就需要利用高层级的情景来判别低层次涌现中出现了哪些高层次的特征。通过这样的情境约束也就实现了了反向的自上而下的限制。这个新的表述，避免了那种令人困扰的表述，如：“自上而下的因果关系”。本文将通过（较低层次的）神经状态和（较高层次的）精神状态之间的关系来说明这一问题。

10. 自上而下的因果关系和社会结构

Top-down causation and social structures

作者：Dave Elder-Vass发表时间：2011年10月5日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0055

许多社会结构以及社会事件影响的描述都隐含了自上而下的因果关系，社会学领域也难以为这样的因果关系树立为一个系统的见解。本文总结了批判现实主义对因果关系和涌现的观点，展示了它如何支持自上而下因果关系的合理解释，然后将这种解释应用于社会世界。本文通过对规范圈（norm circle）概念的考察说明了这一论点，规范圈是一种社会实体，它对规范性社会制度的影响具有因果关系。然而，社会实体的结构与普通物质实体不同，导致自上而下因果关系概念中隐含的现实构成层次结构，在社会世界中具有一定的局限性。本文最后考虑了研究如何证明自上而下因果关系在社会领域发挥作用时可能涉及的内容。

11. 软件密集型系统的大尺度结构

The large-scale structure of software-intensive systems

作者：Grady Booch发表时间：2011年11月16日论文地址：The large-scale structure of software-intensive systems | Interface Focus

在神经科学中，计算机隐喻占据了主导地位，但隐喻附带的语义往往非常简单。这篇论文，我们研究了软件密集型系统的本体论、结构以及在自我和因果关系这样的形而上学问题中的应用。

12. 不同层次上的规律、因果关系和动力学

Laws, causation and dynamics at different levels

作者：Jeremy Butterfield发表时间：2011年8月18日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0052

在本文中，我有两个主要的研究目标。第一个更具一般性，且哲学意味更浓。第二个目标更加具体，且与物理学密切相关。第一个研究目标旨在陈述我对不同“层次”（level）的规律及因果性的一般看法，主要目标是了解较高层次中蕴含的规律与因果性如何免于降低到较低的层次。我将会努力把我的观点同其他座谈会成员的观点联系起来。第二个目标是提供一个框架来刻画不同层次中的动力系统，并重点关注不同层次里的动力系统如何相互啮合（mesh），或因何无法完成啮合。这个框架本质上将会是基本动力系统理论的框架。为简单起见，本文的主要思想将只在两个层次中进行阐述，这两个层次分别称为“微观”和“宏观”，粗粒化将二者联系起来。我将使用这个框架来描述Ellis提出的五种自上而下因果关系类型中的前四种关系类型。

啮合（mesh）动力学

13. 层级、因果关系与解释：

普遍性、地方性与多元性

Hierarchy, causation and explanation: ubiquity, locality and pluralism

作者：Alan C. Love发表时间：2011年11月16日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0064

自上而下的因果解释在科学领域内部和科学领域之间普遍存在，这是自上而下因果关系存在的初步证据。截止目前，许多争论都集中在自上而下的因果关系与还原论保持一致亦或是相互矛盾的层面上，而对这些层级关系的表示是否具有一个单一且共有的架构的问题关注度略显不足。对这个问题的否定回答挑战了一种较为普遍的认知：即世界可以被明晰地划分为不同层级的组织结构。而这种回答进一步表明：不同层级的因果性可能并没有一种有意义的比较基础。自上而下和自下而上的解释很大程度上是局部意义下的解释，并且这些解释与不同的科学领域紧密相关，这里我们将在正文中具体通过蛋白质的结构与折叠来进一步阐明。这种局部性表明，在科学解释的认识论中，并没有形成一种对因果关系层级结构的单一形而上学解释。相反，采纳多元视角可能会是一个更合理的建议——多种自上而下的因果关系解释，可以与多种自下而上的因果关系解释并存。多元主义使得不同意义的自上而下因果关系可以连贯且与还原论不冲突，也进而说明了在哲学分析和科学探索之间存在有效对接。

转运RNA的两种不同层级下的结构表示（二级结构茎环，三级结构同轴堆叠）

14. 自上而下的因果关系与涌现

——关于机制的几点评述

Top-down causation and emergence: some comments on mechanisms

作者：George F. R. Ellis发表时间：2011年9月29日论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.006

自下而上和自上而下两种因果关系都存在于结构与因果的层级之中。一个关键的特征是高阶函数的多重可实现性，以及对应于同一个高级状态，相应低级变量等价类的存在性。在本文中，我们可以确定五种本质上不同的自上而下影响类别，现实世界中的许多例子证明了这五种类别的存在。它们分别是：1.自上而下的算法因果关系 2.通过非自适应信息控制的自上而下因果关系 3.通过自适应选择形成的自上而下因果关系 4.通过自适应信息控制的自上而下因果关系 5.智能的自上而下因果关系（人类心智对物理世界的影响）。通过心智的作用，抽象结构（例如数学结构）也能具有因果关系。因果松弛（causal slack）可以使自上而下的行为发生在系统的结构化过程当中，从而能够实现更高层次的功能；低层次中元素的性质因系统的背景而发生改变，而微观不确定性将会与适应选择性相结合。了解自上而下的因果关系可以对社会产生重要影响。在本文中，我们将提到两个相关案例：医疗保健问题和教育问题——特别是读写教学。在这两种案例中，自下而上和自上而下两种方法之间的竞争对社会有着显著的影响。

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词表GLOSSARY

总和 Aggregate

个体形成的一个集体，其中集体的内在属性与共同结果，原则上可以从组成个体的属性与时空关系中严格推断出来的。（对比“系统”的概念）

因果作为生产 Causation As production        

一个效应的出现，是因为产生、带来或使效应发生的一系列因素。这种基本的、形而上学意义上的因果关系是否在基础物理学领域之外得到验证，却仍存在争议（否认因果封闭的涌现主义认为它确实存在）。在一些哲学观点上，没有这种意义上的生产原因，只有事件类型之间的反事实依赖模式。

作为反事实的依赖 As counterfactual dependence        

事件B依赖于事件A，如果A不发生，那么事件B也不会发生。不仅仅是在物理学中，在自然界的许多层面上都明显存在着共变依赖模式。可以说，正是这种最低限度的因果关系，指导了从数据中得出因果关系结论的统计方法。

自上而下 Top-down

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。

涌现预测 Emergence Predictive  

复杂系统的系统性特征。尽管观察者对系统各部分的特征和规律有透彻的了解，但从预发阶段的角度来看，是无法预测的。

不可解释的 Explanatorily irreducible

复杂系统的属性和动力学班图，无法从更基本的系统规律中推导出来。

副现象主义 Epiphenomenalism

某些高级属性（如心理状态）对其他状态不会产生因果影响。这些属性的出现有其原因，但不会来成为其他现象的原因。

意向性 Intentionality

许多精神状态的属性是针对、关于精神外现象的实体。这与表征密切相关。

多重可实现性 Multiple realizability

可以通过较低级别实体的各种特定安排实现的系统属性。

物理主义/唯物主义 Physicalism/materialism

该理论认为，所有高层级的属性都是通过低层级属性的排列来实现的，根据这种观点，意识或其他精神状态的形而上学、不可还原的属性是不存在的。

质感 Qualia

观察主体意识到或者推理出的的内在体验感受。例如，一个蓝色表面在不同的照明条件、以及观测距离下呈现出的不同的视觉外观。

还原主义 Reductionism

是涌现主义的对立面。因此，它至少有三种类型。

预测 Predictive

在理论上，不受计算和其他问题限制的情况下，每种复杂系统的系统性特征都可以在出现之前被预测到，完全基于关于世界上最基本的成分及其动态的全面信息。

解释 Explanatory

理论上，复杂系统在 t1-t2 时间间隔内表现出的系统特性和动态模式可以从系统组件在 t1–t2 间隔内的排列信息以及演化规律中得出。

生产性因果关系 Productive causal

系统属性不会对系统更基本部分的行为产生非冗余的、生产性的因果影响。基本物理理论是“因果封闭”的，即对于任何基本物理状态都有一个完全由同级基本物理状态组成的决定因素集。

系统 System

个体形成的一个集体，其中集体的一些内在属性与共同结果，原则上不能从组成个体的属性与时空关系中严格推断出来。局部之间相互关系的某些特征或特征产生的新的系统特性或因果效应的形式。（与总和Aggregate相反）

自组织系统 Self-organizing system

一个系统看起来各个部分的行为都以一个共同的目标为导向，但其实并没有信息或控制中心。例如，蚁群。

附属性 Supervenience

每一个高层级的性质和现象都是“固定的”或严格由低层级性质和关系的全局分布决定的。“没有低层级的差异，就没有高层级的差异”。

因果涌现读书会

跨尺度、跨层次的涌现是复杂系统研究的关键问题，生命起源和意识起源这两座仰之弥高的大山是其代表。而因果涌现理论、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，有望破解复杂系统的涌现规律。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，将组织对本话题感兴趣的朋友，深入研读相关文献，激发科研灵感。

读书会线上进行，8月14日开始，每周六上午9:00-11:00，持续时间预计 7-8 周。

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