導語
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，而湧現研究將是實現這一夢想的統一範式。他回顧了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。
研究領域：複雜科學，湧現，複雜適應系統
David Pines |作者
郭瑞東|譯者
劉志航、梁金|審校
集智俱樂部|來源
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。囙此，湧現指的是複雜適應系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都市中形成社區。所有這些現象都沒有領導者或中央控制。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，鑒別現存的非湧現產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.物質和能量的複雜相互作用產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。|圖片來源：Dreamstime.com
1.從湧現到複雜再到湧現
聖塔菲研究所在其1984年創始研討會“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，同時尋找導致這種行為的組織原理[1]。在聖塔菲研究所的早期，成員們經常致力於定義和理解這些系統的複雜性，而不是聚焦於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著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，從而以某種宏大的層次化管道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討會，以界定複雜適應系統和評估其最初探索複雜科學的狀況。正如由此產生的論文合集《複雜性：隱喻、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拋弃了[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。他已經摒弃了複雜科學的前身，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）。在研討會結束時，與會者一致認為，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，並探索一個描述複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系統
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。用莫里哀《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。”我們在這些年研究複雜適應系統中的湧現行為，但卻沒有明確說明這樣做。
圖2.鳥類的集羣行為，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，遵循簡單規則湧現出的行為。
但是我們的詞彙在幾年之內開始發生變化。在也許是第一本面向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。
關於湧現，聖塔菲研究所貢獻的另一個觀點來自理論物理學家，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管道提出了質疑，他還討論了複雜系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“萬物理論”，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：“生命只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產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35億年的演化了。
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面的知識，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，包括潜在的生命本身。我們認為這種下一個世紀（21世紀）的物理學是屬於複雜適應性的研究。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）到複雜適應系統研究的轉變，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管道來理解物理學、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系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別湧現的集體模式和規律，然後設計出體現集體組織概念和原理的模型來解釋它們。這些模式、原理和模型是通向研究的系統中觀察到的湧現行為的路徑。只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產生的納米線，是具有湧現性質的新型人造資料。|圖片來源：美國國家標準與技術研究院
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量測波動，從中或許可以揭示出普適的標度律，或新的相干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。
對於研究活系統的生物學家、生物物理學家或生態學家來說，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複製——因為生物系統往往遠離平衡態。因為演化已經對生物早先的組織原理進行了優化，這使得研究變得更加困難。囙此，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系統的科學家在人類發展、社會行為以及經濟和都市數據中探索模式。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。
囙此物理學家、生物學家、生態學家、認知科學家和考古學家所採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系統中湧現的行為模式。
决定什麼可能是物體、個人或群體之間最重要的聯系或相互作用。
構造並求解一個簡單的模型，該模型將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。）
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，以及研究所新的線上課程和研討會大大新增了我們對湧現現象的理解。《複雜》（Complexity: A Guided Tour）是一個獲得Phi Beta Kappa獎的作品，由電腦科學家梅蘭妮·米切爾（Melanie Mitchell）向公眾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），解釋了許多用來理解湧現行為的基礎模塊。
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，磁性相互作用粒子隨機分佈的系統。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討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雜誌上的一篇書評[6]將這個清單擴展到了通信、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|圖片來源：Wilson Bentley
聖塔菲研究所舉辦了兩次研討會，明確討論了如何採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“複雜適應系統中的湧現行為模型”研討會（2007年12月），邀請了兩個聖塔菲研究所早期的領導者菲利普·安德森和John Hopfield，並介紹了其未來的主席Jerry Sabloff。這次會議由ICAM（Institute for Complex Adaptive Matter，複雜自我調整物質研究所）共同主辦，這是一個線上分佈式的機构。ICAM的目標是研究量子、軟物質和活系統中的湧現行為，其研究策略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，分別是約翰·霍蘭、Simon Levin、Don Saari和我[8]。
這些研討會向科學界提出了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”方法來解决社會問題。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——一個協定或戰畧，可以為政策提供資訊並幫助設計和評估解决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，並將自然科學和人文科學聯系起來。著名科學家和哲學家Philipp Frank就是致力於此的領導人物，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事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理解”，在刊於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，現時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够實現更廣泛的統一。這種統一只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像的結構之上……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，可以創造的不是全域視角的宏大架構，而是一個包含親密關係、知識啟迪和理解的龐大而複雜的網絡。’”
半個多世紀後，我們現在能够回應奧本海默（他是我的導師），雖然在科學知識中有許多形式的秩序，但21世紀的科學家們確實有統一的範式的和共同的目標：理解以不同形式出現的湧現行為。我們共亯的關於湧現的觀點，以及我們獲得和利用知識的管道將我們聯系在一起，並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產之一，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臺，通往“親密、啟迪和理解”的統一網絡。
5.後記：每個人的湧現
當我們向自己、同事和廣大公眾介紹湧現時，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領導者的潜在角色有關。
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於湧現的資訊？例如，我們可否創建一個線上課程，向中學生介紹如何通過研究湧現行為來學習科學，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，在現有教育中新增對湧現行為的關注，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，我們可否創建一個線上“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，包含那些已經成功綜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於湧現的知識。
作者介紹
David Pines是加州大學大衛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，為理解量子物態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.根據維琪百科，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，來理解複雜事物的本質；或（b）一個哲學觀點：即一個複雜系統只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）
本文翻譯自medium.com
原文題目：
Emergence: A unifying theme for 21st century science
原文連結：
https://medium.com/sfi-30-foundations-frontiers/emergence-a-unifying-theme-for-21st-century-science-4324ac0f951e