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、 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
刘培源、Leo、李明章、王百臻| 译者
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?
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]）、 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 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
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 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 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 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。
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 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：
1. 流体对流、约束和因果关系
Fluid convection, constraint and causation
发表时间：2011年9月7日
论文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0065
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
发表时间：2011年11月23日
论文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0072
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
发表时间：2011年11月9日
论文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0061
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
发表时间：2021年9月23日
论文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0045
细菌细胞的主要功能与信息 络
5. 表观基因组和自上而下因果关系
The epigenome and top-down causation
发表时间：2021年9月14日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0070
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
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
发表时间：2011年11月9日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0067
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
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 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 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 会神经科学中也尤其重要，因为在 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
发表时间：2011年9月7日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0058
10. 自上而下的因果关系和 会结构
Top-down causation and social structures
发表时间：2011年10月5日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0055
11. 软件密集型系统的大尺度结构
The large-scale structure of software-intensive systems
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
发表时间：2011年8月18日
论文地址：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.0052
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
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
发表时间：2011年9月29日
论文地址：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2011.006
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。
名方式：
扫码 名
第一步：扫码填写 名信息
第二步：填写信息后，进入付款流程，提交保证金299元。（符合退费条件后可退费）
第三步：添加负责人微信，拉入对应的读书会讨论群
（我们也会对每次分享的内容进行录制，剪辑后发布在集智学园官 上，供读书会成员回看）
详情请见：
因果涌现读书会启动：连接因果、涌现与自指——跨尺度动力学与因果规律的探索
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