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。聖塔菲研究所聯合創始人 David Pines 在2014年曾撰文指出，複雜科學研究的夢想是創造一個統一的複雜科學理論，使得複雜性可以被定義和量化，而湧現研究将是實作這一夢想的統一範式。他回顧了聖塔菲研究所關于湧現研究所作的貢獻，并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 | 劉志航、梁金
當電子、原子、個人或社會與彼此或與所在環境發生互相作用時，整體的集體行為不同于其部分行為，我們将這種結果稱為湧現。是以，湧現指的是複雜适應系統中的集展現象或行為，這種現象或行為不存在于它們的單個部分。
湧現的例子在我們周圍随處可見，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群。所有這些現象都沒有上司者或中央控制。湧現現象還包括宇宙大爆炸、星系和恒星及行星的形成、地球生命從起源到現在的演變、蛋白質折疊、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，鑒别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，也是困難的。
圖1. 物質和能量的複雜互相作用産生了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。| 圖檔來源：Dreamstime.com
1. 從湧現到複雜再到湧現
聖塔菲研究所在其1984年創始研讨會“科學中湧現的綜合”（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面，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，成員們經常緻力于定義和了解這些系統的複雜性，而不是聚焦于這些系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着創造一種統一的複雜科學理論，使得複雜性可以被定義和量化，進而以某種宏大的階層化方式對複雜系統進行分類。
1993年，聖塔菲研究所舉辦了一次大型研讨會，以界定複雜适應系統和評估其最初探索複雜科學的狀況。正如由此産生的論文合集《複雜性：隐喻、模型和現實》（Complexity: Metaphors, Models, and Reality）所暗示的，提出複雜性統一理論的夢想被抛棄了[2]。事實證明，我們可能已經注意到了我們的朋友、偉大的數學家 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。他已經摒棄了複雜科學的前身，非線性科學，稱其為“非大象的研究”——他的意思是非線性不是一個有用的描述，因為一切都是非線性的（也是複雜的）。在研讨會結束時，與會者一緻認為，雖然複雜性很難定義，而且或許沒有統一的複雜科學，但他們還達成共識，做如下的努力是有用的：設計各種各樣的系統模型，并探索一個描述複雜行為的模型背後的想法在多大程度上适用于了解另一個系統。
在實作這一目标的過程中，我們支援将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。用莫裡哀《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着散文。”我們在這些年研究複雜适應系統中的湧現行為，但卻沒有明确說明這樣做。
圖2. 鳥類的叢集行為，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上司時，遵循簡單規則湧現出的行為。
但是我們的詞彙在幾年之内開始發生變化。在也許是第一本面向大衆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：一些系統（比如遊戲、簡單的分子等等）中促成湧現行為出現的是一組相對簡單的規則。在之後出版的 《萬物湧現：世界是如何變得複雜的》（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）從理論生物學家的角度闡述了湧現行為。他描述那些規則未知系統中的湧現行為，從宇宙大爆炸到地球上人類的出現和農業的發展。
關于湧現 ，聖塔菲研究所貢獻的另一個觀點來自理論實體學家，可以在兩篇面向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年成立時發表了演講，後來與諾貝爾獎獲得者肯 · 阿羅（Ken Arrow）共同主持了研究所對經濟學的初步探索）對許多科學家描述基礎研究的方式提出了質疑，他還讨論了複雜系統的層級關系和對稱性的作用。28年後，我和斯坦福大學的實體學家家 R.B. Laughlin 寫了另一篇相關文章 The Theory of everything。兩篇論文都強調了用還原論方法研究複雜系統的局限性，即人們試圖通過更細緻地研究它們的組成部分來解釋複雜系統。
Laughlin 和我指出，20世紀一些還原論者的夢想是發現一個“萬實體論”，其方程式可以讓人們推導出物質的所有性質。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并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，更不用說随後35億年的演化了。
雖然我們知道支配目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于湧現方面的知識，無論我們是正在研究一個科學前沿問題，或尋求了解和改變家庭或社會行為。我們在文章的結尾寫道：
“在我們這個時代，理論實體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了解湧現行為，包括潛在的生命本身。我們認為這種下一個世紀（21世紀）的實體學是屬于複雜适應性的研究。無論是好是壞，我們現在見證了從過去科學（從本質上是還原論）到複雜适應系統研究的轉變，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了解實體學、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：認識到了解湧現行為需要關注可以刻畫系統作為一個整體的湧現集體特征，并尋找它們的起源。它意味着通過實驗或觀察來識别湧現的集體模式和規律，然後設計出展現集體組織概念和原理的模型來解釋它們。這些模式、原理和模型是通向研究的系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，我們才有希望在一個大的、統一的尺度上把握湧現行為。
圖3. 納米線，例如圖中在矽晶體上由原子生長産生的納米線，是具有湧現性質的新型人造材料。| 圖檔來源：美國國家标準與技術研究院
對于研究量子物質中湧現的電子行為或流體中的湍流現象的實體學家或化學家來說，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，從中或許可以揭示出普适的标度律，或新的相幹态和可能彼此競争的有序态。伴随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互相作用，并可能包括一種可能性，即存在一種獨立于細節、受更高組織原理支配的受保護的行為。
對于研究活系統的生物學家、生物實體學家或生态學家來說，集體的組分從蛋白質、神經元或物種開始，然後是細胞、大腦和生态失調。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複制——因為生物系統往往遠離平衡态。因為演化已經對生物早先的組織原理進行了優化，這使得研究變得更加困難。是以，我們能觀察到的通常是許多互相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系統的科學家在人類發展、社會行為以及經濟和城市資料中探索模式。對他們來說，候選的組織概念包括自組織成群體/社群/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于主體和基于群體（group-based）的模組化。
是以實體學家、生物學家、生态學家、認知科學家和考古學家所采用的科學政策非常相似:
使用實驗或觀察來确定作為一個整體的系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系或互相作用。
構造并求解一個簡單的模型，該模型将這些聯系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系統湧現行為的模型中使用的組織概念往往是有幫助的。）
将你的結果和預測與實驗或觀察進行比較。
3. 聖塔菲研究所關于湧現的最新進展
最近由聖塔菲研究所的研究者撰寫的書籍和文章，以及研究所新的線上課程和研讨會大大增加了我們對湧現現象的了解。《複雜》（Complexity: A Guided Tour）是一個獲得 Phi Beta Kappa 獎的作品，由計算機科學家梅蘭妮 · 米切爾（Melanie Mitchell）向公衆介紹複雜科學這一領域及其方法論，以及許多湧現行為的例子。開放式線上課程“複雜性入門”（Introduction to Complexity，complexityexplorer.org），解釋了許多用來了解湧現行為的基礎子產品。
在《自旋玻璃和複雜性》（Spin Glasses and Complexity）一書中 ，聖塔菲研究所聯席主席 Dan Stein 和他的合著者、加州大學歐文分校的 Charles Newman 為我們提供了一個通向科學和社會中湧現行為的重要路徑，即自旋玻璃，磁性互相作用粒子随機分布的系統。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讨會上做的演講中指出的那樣：以自旋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系統。後來 Physics Today 雜志上的一篇書評[7]将這個清單擴充到了通信、經濟和工程領域。阻挫（Frustration）是自旋玻璃中的一個關鍵概念，Peter Wolynes 和他的合作者最近發表了一篇綜述《生物分子中的阻錯》（Frustration in Biomolecules），對這個概念及其許多應用進行了全面的回顧[7]。
圖4. 不同的雪花 | 圖檔來源：Wilson Bentley
聖塔菲研究所舉辦了兩次研讨會，明确讨論了如何采用一般方法來了解湧現行為。由 Simon Levin、密歇根大學的 Carl Simon 和我共同組織的“複雜适應系統中的湧現行為模型”研讨會（2007年12月），邀請了兩個聖塔菲研究所早期的上司者菲利普·安德森和 John Hopfield，并介紹了其未來的主席 Jerry Sabloff。這次會議由 ICAM （Institute for Complex Adaptive Matter，複雜自适應物質研究所）共同主辦 ，這是一個線上分布式的機構。ICAM 的目标是研究量子、軟物質和活系統中的湧現行為，其研究政策受到聖塔菲研究所和前面提到的由 Laughlin 和我合著的論文啟發。2013年9月，ICAM 與聖塔菲研究所共同主辦了一個後續研讨會“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，分别是約翰·霍蘭、Simon Levin、Don Saari 和我[8]。
這些研讨會向科學界提出了許多關于湧現的大問題。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于湧現的架構來處理重大社會問題——一個協定或戰略，可以為政策提供資訊并幫助設計和評估解決我們社會所面臨的重大問題的實驗。這是迫切需要的，以便在我們面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資訊。
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，并将自然科學和人文科學聯系起來。著名科學家和哲學家 Philipp Frank 就是緻力于此的上司人物，為了紀念他1957年從哈佛大學退休，Frank曾經的博士生和哈佛同僚 Gerald Holton 組織了一次會議，名為“科學與現代世界觀——通向對科學和人文學科的共同了解 ”，在刊于2004年的回憶錄中[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标已難以實作：‘這可能是一個問題，在我們的時代是否有一種方法能夠實作更廣泛的統一。這種統一隻能建立在一個完全不同于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于兩種事情當中。一個是，以如此可怕的非人類的速度來到我們面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系、知識啟迪和了解的龐大而複雜的網絡。’”
半個多世紀後，我們現在能夠回應奧本海默（他是我的導師），雖然在科學知識中有許多形式的秩序，但21世紀的科學家們确實有統一的範式的和共同的目标：了解以不同形式出現的湧現行為。我們共享的關于湧現的觀點，以及我們獲得和利用知識的方式将我們聯系在一起，并提供了一種方法彌合科學家和人文學者的鴻溝。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合作的平台，通往“親密、啟迪和了解”的統一網絡。
5. 後記：每個人的湧現
當我們向自己、同僚和廣大公衆介紹湧現時，我想向聖塔菲研究所提出兩項挑戰，這些挑戰與它作為世界科學教育上司者的潛在角色有關。
首先，考慮到湧現作為科學統一範式的重要性，聖塔菲研究所可否向世界不同年齡的學習者傳播關于湧現的資訊？例如，我們可否建立一個線上課程，向中學生介紹如何通過研究湧現行為來學習科學，并幫助他們對周圍的世界形成一種基于湧現的視角？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，并将這種視角注入聖塔菲研究所标志性的暑期學校中？
第二，我們可否建立一個線上“門戶百科”？它将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合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，聖塔菲研究所為了未來科學家和子孫後代，有責任收集和記錄我們已經學到的關于湧現的知識。
作者介紹
David Pines 是加州大學戴維斯分校的實體學教授，伊利諾伊大學香槟分校實體學教授，也是聖達菲研究所的聯合創始人、董事會前任主席和科學委員會名譽聯合主席。他是美國哲學學會和美國國家科學院成員，為了解量子物态和國際科學合作做出了開創性貢獻。
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，還原論可以意味着（a）一種方法：通過将事物簡化為它們的組成部分，或更簡單或更基本的東西，來了解複雜事物的本質；或（b）一個哲學觀點：即一個複雜系統隻不過是各個部分的總和，對系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衆号“集智俱樂部”，本文翻譯自 medium.com。
原文連結：
https://medium.com/sfi-30-foundations-frontiers/emergence-a-unifying-theme-for-21st-century-science-4324ac0f951e
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