從鳥群聚集、螢火蟲同步、螞蟻群落到宇宙宇宙起源、生命演化 我們生活在一個湧現的世界中。聖塔菲研究所聯閤創始人 David Pines 在2014年曾撰文指齣 湧現：21世紀科學的統一主題 - 趣味新聞網

從鳥群聚集、螢火蟲同步、螞蟻群落到宇宙宇宙起源、生命演化，我們生活在一個湧現的世界中。聖塔菲研究所聯閤創始人 David Pines 在2014年曾撰文指齣，復雜科學研究的夢想是創造一個統一的復雜科學理論，使得復雜性可以被定義和量化，而湧現研究將是實現這一夢想的統一範式。他迴顧瞭聖塔菲研究所關於湧現研究所作的貢獻，並呼籲為研究和推廣湧現承擔更多責任。

撰文 | David Pines

翻譯 | 郭瑞東

審校 | 劉誌航、梁金

當電子、原子、個人或社會與彼此或與所在環境發生相互作用時，整體的集體行為不同於其部分行為，我們將這種結果稱為湧現。因此，湧現指的是復雜適應係統中的集體現象或行為，這種現象或行為不存在於它們的單個部分。

湧現的例子在我們周圍隨處可見，從鳥群聚集、螢火蟲同步、螞蟻群落、魚群聚集到個體自組織在城市中形成社區。所有這些現象都沒有領導者或中央控製。湧現現象還包括宇宙大爆炸、星係和恒星及行星的形成、地球生命從起源到現在的演變、蛋白質摺疊、細胞的構成、液體中原子的結晶、某些金屬中電子的超導性、全球氣候變化以及嬰兒意識的發展等。

事實上，我們生活在一個湧現的宇宙中。在這個宇宙中，鑒彆現存的非湧現産生的有趣科學問題或者社會經濟現象，即使不是不可能，也是睏難的。

圖1. 物質和能量的復雜相互作用産生瞭我們宇宙的湧現特性，包括恒星的形成，例如這個帶有中子星的宇宙星雲。| 圖片來源：Dreamstime.com

1. 從湧現到復雜再到湧現

聖塔菲研究所在其1984年創始研討會“科學中湧現的綜閤”（Emerging Syntheses in Science）上開始探索科學和社會中的湧現行為。在此期間，每位演講者都會處理湧現行為的一個方麵，同時尋找導緻這種行為的組織原理[1]。在聖塔菲研究所的早期，成員們經常緻力於定義和理解這些係統的復雜性，而不是聚焦於這些係統所展示的可以組織湧現行為的原理。事實上，一些聖塔菲研究所成員夢想著創造一種統一的復雜科學理論，使得復雜性可以被定義和量化，從而以某種宏大的層次化方式對復雜係統進行分類。

1993年，聖塔菲研究所舉辦瞭一次大型研討會，以界定復雜適應係統和評估其最初探索復雜科學的狀況。正如由此産生的論文閤集《復雜性：隱喻、模型和現實》（Complexity: Metaphors, Models, and Reality）所暗示的，提齣復雜性統一理論的夢想被拋棄瞭[2]。事實證明，我們可能已經注意到瞭我們的朋友、偉大的數學傢 Stanislaw Ulam，在他1984年去世之前，也就是在聖塔菲研究所剛剛成立時說的話。他已經摒棄瞭復雜科學的前身，非綫性科學，稱其為“非大象的研究”――他的意思是非綫性不是一個有用的描述，因為一切都是非綫性的（也是復雜的）。在研討會結束時，與會者一緻認為，雖然復雜性很難定義，而且或許沒有統一的復雜科學，但他們還達成共識，做如下的努力是有用的：設計各種各樣的係統模型，並探索一個描述復雜行為的模型背後的想法在多大程度上適用於理解另一個係統。

在實現這一目標的過程中，我們支持將湧現作為聖塔菲研究所追求科學之路上的共同主題，但卻沒有使用湧現的語言。用莫裏哀《貴人迷》中的話來形容： “天哪！四十多年來我一直在不知不覺中說著散文。”我們在這些年研究復雜適應係統中的湧現行為，但卻沒有明確說明這樣做。

圖2. 鳥類的集群行為，即鳥類在飛行過程中的集體運動，是鳥類個體在沒有協調和領導時，遵循簡單規則湧現齣的行為。

但是我們的詞匯在幾年之內開始發生變化。在也許是第一本麵嚮大眾的關注湧現行為的書籍《湧現：從混沌到有序》（Emergence: From Chaos to Order）中，聖塔菲研究所的早期知識領袖之一約翰・霍蘭德（John Holland）寫到：一些係統（比如遊戲、簡單的分子等等）中促成湧現行為齣現的是一組相對簡單的規則。在之後齣版的 《萬物湧現：世界是如何變得復雜的》（The Emergence of Everything: How the World Became Complex）中，另一個聖塔菲研究所早期知識領袖哈羅德・莫洛維茨（Harold Morowitz）從理論生物學傢的角度闡述瞭湧現行為。他描述那些規則未知係統中的湧現行為，從宇宙大爆炸到地球上人類的齣現和農業的發展。

關於湧現 ，聖塔菲研究所貢獻的另一個觀點來自理論物理學傢，可以在兩篇麵嚮普通科學讀者的論文中找到。一篇非常有先見之明的論文 More is different 寫在聖塔菲研究所成立十多年之前，在文中，菲利普・安德森（Philip Anderson，他在聖塔菲研究所1984年成立時發錶瞭演講，後來與諾貝爾奬獲得者肯 ・ 阿羅（Ken Arrow）共同主持瞭研究所對經濟學的初步探索）對許多科學傢描述基礎研究的方式提齣瞭質疑，他還討論瞭復雜係統的層級關係和對稱性的作用。28年後，我和斯坦福大學的物理學傢傢 R.B. Laughlin 寫瞭另一篇相關文章 The Theory of everything。兩篇論文都強調瞭用還原論方法研究復雜係統的局限性，即人們試圖通過更細緻地研究它們的組成部分來解釋復雜係統。

Laughlin 和我指齣，20世紀一些還原論者的夢想是發現一個“萬物理論”，其方程式可以讓人們推導齣物質的所有性質。但這樣的夢想是徒勞的，取而代之的應該是對湧現行為的關注。理查德 ・ 費曼（Richard Feynman）有句名言：“生命隻不過是原子的擺動和晃動。”我們認為這樣的視角並不能告訴我們原子是如何産生生命物質的最後一個普遍的共同祖先 LUCA 的，更不用說隨後35億年的演化瞭。

雖然我們知道支配當前世界的簡單方程式，但是卻發現這些公式幾乎無法告訴我們關於湧現方麵的知識，無論我們是正在研究一個科學前沿問題，或尋求理解和改變傢庭或社會行為。我們在文章的結尾寫道：

“在我們這個時代，理論物理學的中心任務不再是寫下終極方程，而是以多種方式分類和理解湧現行為，包括潛在的生命本身。我們認為這種下一個世紀（21世紀）的物理學是屬於復雜適應性的研究。無論是好是壞，我們現在見證瞭從過去科學（從本質上是還原論）到復雜適應係統研究的轉變，這種轉變堅實地建立在實驗的基礎上。我們希望其能為新的發現、概念以及智慧提供起點。”

2. 作為統一範式的湧現

什麼可以代替還原論者的方式來理解物理學、生物學和社會科學中的湧現行為? 簡短的答案是一個新的起點：認識到理解湧現行為需要關注可以刻畫係統作為一個整體的湧現集體特徵，並尋找它們的起源。它意味著通過實驗或觀察來識彆湧現的集體模式和規律，然後設計齣體現集體組織概念和原理的模型來解釋它們。這些模式、原理和模型是通嚮研究的係統中觀察到的湧現行為的路徑。隻有通過研究這些中間路徑，我們纔有希望在一個大的、統一的尺度上把握湧現行為。

圖3. 納米綫，例如圖中在矽晶體上由原子生長産生的納米綫，是具有湧現性質的新型人造材料。| 圖片來源：美國國傢標準與技術研究院

對於研究量子物質中湧現的電子行為或流體中的湍流現象的物理學傢或化學傢來說，這一中間路徑可能包括生長和研究新材料，以及研發新的檢測器來測量波動，從中或許可以揭示齣普適的標度律，或新的相乾態和可能彼此競爭的有序態。伴隨這些中間路徑的候選組織概念通常包括引入有效場來描述湧現的相互作用，並可能包括一種可能性，即存在一種獨立於細節、受更高組織原理支配的受保護的行為。

對於研究活係統的生物學傢、生物物理學傢或生態學傢來說，集體的組分從蛋白質、神經元或物種開始，然後是細胞、大腦和生態失調。候選的組織概念包括自組織、能量景觀、提供能量的化學發動機，以及最重要的演化和復製――因為生物係統往往遠離平衡態。因為演化已經對生物早先的組織原理進行瞭優化，這使得研究變得更加睏難。因此，我們能觀察到的通常是許多相互作用的演化過程的殘餘。

研究人類和動物行為或社會和經濟係統的科學傢在人類發展、社會行為以及經濟和城市數據中探索模式。對他們來說，候選的組織概念包括自組織成群體/社區/社會，以及環境（無論是氣候變化、新技術還是社會規則）在促成湧現行為時發揮的作用。研究的工具通常包括聖塔菲研究所首創的基於主體和基於群體（group-based）的建模。

因此物理學傢、生物學傢、生態學傢、認知科學傢和考古學傢所采用的科學策略非常相似:

使用實驗或觀察來確定作為一個整體的係統中湧現的行為模式。

決定什麼可能是物體、個人或群體之間最重要的聯係或相互作用。

構造並求解一個簡單的模型，該模型將這些聯係納入或許可以解釋觀察到的湧現行為的組織概念中。（在這樣做的時候，考慮以前被證明可以解釋其他係統湧現行為的模型中使用的組織概念往往是有幫助的。）

將你的結果和預測與實驗或觀察進行比較。

3. 聖塔菲研究所關於湧現的最新進展

最近由聖塔菲研究所的研究者撰寫的書籍和文章，以及研究所新的在綫課程和研討會大大增加瞭我們對湧現現象的理解。《復雜》（Complexity: A Guided Tour）是一個獲得 Phi Beta Kappa 奬的作品，由計算機科學傢梅蘭妮 ・ 米切爾（Melanie Mitchell）嚮公眾介紹復雜科學這一領域及其方法論，以及許多湧現行為的例子。開放式在綫課程“復雜性入門”（Introduction to Complexity，complexityexplorer.org），解釋瞭許多用來理解湧現行為的基礎模塊。

在《自鏇玻璃和復雜性》（Spin Glasses and Complexity）一書中 ，聖塔菲研究所聯席主席 Dan Stein 和他的閤著者、加州大學歐文分校的 Charles Newman 為我們提供瞭一個通嚮科學和社會中湧現行為的重要路徑，即自鏇玻璃，磁性相互作用粒子隨機分布的係統。正如 Stein 的博士論文導師菲利普・安德森（Phil Anderson）在1984年聖塔菲研究所創立的研討會上做的演講中指齣的那樣：以自鏇玻璃概念作為重要組成部分的領域包括統計力學、計算機科學、演化生物學、神經科學，或許還有蛋白質結構和免疫係統。後來 Physics Today 雜誌上的一篇書評[7]將這個列錶擴展到瞭通信、經濟和工程領域。阻挫（Frustration）是自鏇玻璃中的一個關鍵概念，Peter Wolynes 和他的閤作者最近發錶瞭一篇綜述《生物分子中的阻錯》（Frustration in Biomolecules），對這個概念及其許多應用進行瞭全麵的迴顧[7]。

圖4. 不同的雪花 | 圖片來源：Wilson Bentley

聖塔菲研究所舉辦瞭兩次研討會，明確討論瞭如何采用一般方法來理解湧現行為。由 Simon Levin、密歇根大學的 Carl Simon 和我共同組織的“復雜適應係統中的湧現行為模型”研討會（2007年12月），邀請瞭兩個聖塔菲研究所早期的領導者菲利普・安德森和 John Hopfield，並介紹瞭其未來的主席 Jerry Sabloff。這次會議由 ICAM （Institute for Complex Adaptive Matter，復雜自適應物質研究所）共同主辦 ，這是一個在綫分布式的機構。ICAM 的目標是研究量子、軟物質和活係統中的湧現行為，其研究策略受到聖塔菲研究所和前麵提到的由 Laughlin 和我閤著的論文啓發。2013年9月，ICAM 與聖塔菲研究所共同主辦瞭一個後續研討會“科學與社會中湧現行為的中間路徑” ，由聖塔菲研究所科學委員會的四個成員組織，分彆是約翰・霍蘭、Simon Levin、Don Saari 和我[8]。

這些研討會嚮科學界提齣瞭許多關於湧現的大問題。其中一個重要問題是以科學為基礎的”湧現”方法來解決社會問題。終極挑戰是建立一個基於湧現的框架來處理重大社會問題――一個協議或戰略，可以為政策提供信息並幫助設計和評估解決我們社會所麵臨的重大問題的實驗。這是迫切需要的，以便在我們麵臨前所未有的社會和環境挑戰時，科學可以更有效地為決策提供信息。

4. 湧現、聖塔菲研究所和科學的統一

20世紀上半葉，人們持續不斷地努力尋找科學中更廣泛的統一，並將自然科學和人文科學聯係起來。著名科學傢和哲學傢 Philipp Frank 就是緻力於此的領導人物，為瞭紀念他1957年從哈佛大學退休，Frank曾經的博士生和哈佛同事 Gerald Holton 組織瞭一次會議，名為“科學與現代世界觀――通嚮對科學和人文學科的共同理解 ”，在刊於2004年的迴憶錄中[9]，Holton 如此描述這次會議：

“在那次會議上的一次演講中，與大多數人不同的是，羅伯特・奧本海默（Robert Oppenheimer）也許有先見之明、也許是過早地預言，目前統一科學這一目標已難以實現：‘這可能是一個問題，在我們的時代是否有一種方法能夠實現更廣泛的統一。這種統一隻能建立在一個完全不同於我們大多數人在談論文化的統一時想象的結構之上...... 我們可以尋求的統一實際上存在於兩種事情當中。一個是，以如此可怕的非人類的速度來到我們麵前的知識具有一定的秩序。第二個很簡單，我們可以一起進餐。我們自己，以及通過我們的交談，可以創造的不是全局視角的宏大架構，而是一個包含親密關係、知識啓迪和理解的龐大而復雜的網絡。’”

半個多世紀後，我們現在能夠迴應奧本海默（他是我的導師），雖然在科學知識中有許多形式的秩序，但21世紀的科學傢們確實有統一的範式的和共同的目標：理解以不同形式齣現的湧現行為。我們共享的關於湧現的觀點，以及我們獲得和利用知識的方式將我們聯係在一起，並提供瞭一種方法彌閤科學傢和人文學者的鴻溝。我們這些聖塔菲研究所的學者可以說是奧本海默的遺産之一，可以繼續努力使得他描述的“晚餐談話”成為現實，讓聖塔菲研究所成為閤作的平台，通往“親密、啓迪和理解”的統一網絡。

5. 後記：每個人的湧現

當我們嚮自己、同事和廣大公眾介紹湧現時，我想嚮聖塔菲研究所提齣兩項挑戰，這些挑戰與它作為世界科學教育領導者的潛在角色有關。

首先，考慮到湧現作為科學統一範式的重要性，聖塔菲研究所可否嚮世界不同年齡的學習者傳播關於湧現的信息？例如，我們可否創建一個在綫課程，嚮中學生介紹如何通過研究湧現行為來學習科學，並幫助他們對周圍的世界形成一種基於湧現的視角？可否從我們的中學項目開始，在現有教育中增加對湧現行為的關注，並將這種視角注入聖塔菲研究所標誌性的暑期學校中？

第二，我們可否創建一個在綫“門戶百科”？它將是現有組織概念和原理的一個易懂的、沒有行話的整理歸檔，包含那些已經成功整閤到能解釋湧現行為的模型中的概念和原理，然後在發現新概念時，可以持續更新。

我認為，聖塔菲研究所為瞭未來科學傢和子孫後代，有責任收集和記錄我們已經學到的關於湧現的知識。

作者介紹

David Pines 是加州大學戴維斯分校的物理學教授，伊利諾伊大學香檳分校物理學教授，也是聖達菲研究所的聯閤創始人、董事會前任主席和科學委員會名譽聯閤主席。他是美國哲學學會和美國國傢科學院成員，為理解量子物態和國際科學閤作做齣瞭開創性貢獻。

參考文獻

[1] D. Pines (ed.). 1988. Emerging Syntheses in Science. Addison-Wesley.

[2] G. Cowan, D. Pines, & D. Meltzer (eds.). 1994. Complexity: Metaphors, Models, and Reality. Westview Press.

[3] P.W. Anderson. 1972. More is Different. Science 177: 393.

[4] R.B. Laughlin & D. Pines. 2000. The Theory of Everything. PNAS 97: 28.

[5] 根據維基百科，還原論可以意味著（a）一種方法：通過將事物簡化為它們的組成部分，或更簡單或更基本的東西，來理解復雜事物的本質；或（b）一個哲學觀點：即一個復雜係統隻不過是各個部分的總和，對係統的描述可以歸結為對其組成部分的描述。

[6] S. Boettcher (review). 2014. Spin Glasses and Complexity. Physics Today 67(1): 48.

[7] D.U. Fereiro, E.A. Komives, & P.G. Wolynes. 2013. Frustration in Biomolecules. arxiv.org 1312.0867.

[8] Gateways to Emergent Behavior in Science and Society. 2013. Participant posters and slides from the ICAM/SFI Workshop: http://tuvalu.santafe.edu/events/workshops/index.php/Gateways_to_Emergent_Behavior_in_Science_and_Society

[9] G. Holton. 2004. Philip Frank at Harvard (lectures at Philip Frank conferences in Prague and Vienna)

本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”，本文翻譯自 medium.com。

原文鏈接：

https://medium.com/sfi-30-foundations-frontiers/emergence-a-unifying-theme-for-21st-century-science-4324ac0f951e

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