霍爾友善且四肢粗壯，在他家位于馬薩諸塞州紐伯里波特的書店Jabberwocky中長大。他在本科時學習創(chuàng)意寫作，并計劃成為一名作家。但他也被意識的問題所吸引——它是什么?為什么產(chǎn)生?我們?nèi)绾螕碛兴俊J為這是一個急需創(chuàng)造性的尚待研究的科學主題。讀研究生時，他去了威斯康星州的麥迪遜，與托諾尼一起工作——在霍爾看來，他是當時唯一擁有科學的意識理論的人。托諾尼將意識視為信息：它們是神經(jīng)復雜網(wǎng)絡中編碼而非單個神經(jīng)元狀態(tài)中比特（bits），這些神經(jīng)元在大腦中連接在一起成為整體。托諾尼認為，這種特殊的“整合信息”對應于我們的主觀意識體驗到的統(tǒng)一、整合的狀態(tài)。整合信息理論（Integrated information theory）在過去幾年中獲得了突出地位，盡管隨后就其是否代表了準確和充分的意識引發(fā)了爭論。但是當霍爾于2010年第一次來到麥迪遜時，只有他們兩人在那里從事這方面的研究。托諾尼委托霍爾探索尺度和信息之間的一般數(shù)學關系?？茖W家們后來專注于神經(jīng)網(wǎng)絡中的整合信息量如何隨著時空尺度的層次結構而變化，觀察越來越大的神經(jīng)元組之間的聯(lián)系。他們希望弄清楚哪種集成規(guī)模對應著最大的整合信息。霍爾為此自學了信息論，并陷入了關于意識、還原論和因果關系的哲學辯論。霍爾很快發(fā)現(xiàn)，要理解意識如何在宏觀尺度上出現(xiàn)，需要一種量化大腦狀態(tài)因果效力的方法。他說，他意識到“因果關系的最佳衡量標準是比特?！?他還閱讀了計算機科學家和哲學家朱迪亞·珀爾[7]（Judea Pearl）的著作，后者在1990年代發(fā)展出了一種用于研究因果關系的邏輯語言，稱為因果演算（causal calculus）。在阿爾班塔基斯和托諾尼的幫助下，霍爾將一種稱為“有效信息”的因果效力度量形式化，它表明特定狀態(tài)如何有效地影響系統(tǒng)的未來狀態(tài)。有效信息可用于幫助計算整合信息，但它更簡單、更通用，并且作為因果力的衡量標準，不依賴于托諾尼關于意識的其他觀點。研究人員表明，在簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，有效信息的數(shù)量隨著你對網(wǎng)絡中的神經(jīng)元進行粗粒度化程度而增加。當神經(jīng)元組被視為整個單元時，這些相互關聯(lián)的單元的可能狀態(tài)會形成因果結構，其中狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以使用馬爾可夫鏈（Markov chains）進行數(shù)學建模。在某個宏觀尺度上，有效信息達到峰值：這是系統(tǒng)狀態(tài)具有最大效力力量的尺度，它以最可靠、最有效的方式預測未來狀態(tài)。但進一步粗粒度，將開始丟失關于系統(tǒng)因果結構的重要細節(jié)。托諾尼及其同事假設，在大腦中，因果關系高峰的規(guī)模應該與有意識決策的規(guī)模相對應；根據(jù)腦成像研究，阿爾班塔基斯猜測這可能發(fā)生在神經(jīng)元微柱（neuronal microcolumns）的規(guī)模上，它由大約100個神經(jīng)元組成。霍爾解釋說，因果涌現(xiàn)是可能的，因為隨機性和冗余性困擾著神經(jīng)元的基本尺度。作為一個簡單的例子，他說想象一個由兩組10個神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡。A組中的每個神經(jīng)元都與B組中的幾個神經(jīng)元相連，當A組中的一個神經(jīng)元激活時，通常會導致B中的一個神經(jīng)元也激活。究竟哪個連接的神經(jīng)元激發(fā)是不可預測的。例如，如果 A 組的狀態(tài)是 {1,0,0,1,1,1,0,1,1,0}，其中1和0分別代表激活和不激活的神經(jīng)元，結果B組的狀態(tài)可以有無數(shù)種可能的1和0組合。平均而言，B組中的六個神經(jīng)元會激活，但其中六個幾乎是隨機的，微觀狀態(tài)是不確定的?，F(xiàn)在，假設我們對系統(tǒng)進行粗粒度處理，因此這一次，我們將所有A神經(jīng)元組合在一起，并簡單地計算觸發(fā)的總數(shù)。A組的狀態(tài)是{6}。這種狀態(tài)很可能導致B組的狀態(tài)也為 {6}。顯然宏觀狀態(tài)更可靠有效，計算表明它具有更有效的信息。現(xiàn)實世界的例子也支持這點。“我們的生活非常嘈雜，”霍爾說?！叭绻阒唤o我你的原子狀態(tài)，可能完全無法猜測你的原子狀態(tài)在12小時后會在哪里。如果給出心理描述，或者生理描述：12 小時后你會去哪里？現(xiàn)在是中午。他說：“你會睡著的——這很容易?！彼赃@些更高層次的關系是看起來更可靠。這是因果涌現(xiàn)一個超級簡單的例子?！?/section>對于任何給定的系統(tǒng)，有效信息在具有最大和最可靠因果結構的尺度上達到峰值。除了有意識的主體，霍爾說這個層級可能會辨別出巖石、海嘯、行星和我們通常在世界上注意到的所有其他物體的自然尺度?！拔覀冊谶M化上辨別出它們的原因是因為它們可靠且有效，但這也意味著產(chǎn)生了因果涌現(xiàn)。”霍爾說。麥迪遜和紐約正在計劃進行腦成像實驗，霍爾已加入哥倫比亞神經(jīng)科學家拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）的實驗室。兩個小組都將進行腦成像實驗，以試圖找到對未來具有最大因果控制力的時空尺度。這些尺度的大腦活動應該最可靠地預測未來的活動。正如霍爾所說，“大腦的因果結構從何而來？” 如果數(shù)據(jù)支持他們的假設，他們就會將結果視為更普遍的自然事實的證據(jù)?！爸悄艽砘蛞庾R是這個想法最明顯的地方，”威斯康星小組的博士后研究員威廉馬歇爾說。“但如果我們確實發(fā)現(xiàn)因果涌現(xiàn)正在發(fā)生，則必須重新評估還原論假設，這可能會得到廣泛的應用?！?/section>
2. 新的哲學思維
薩拉·沃克（Sara Walker）[8]是亞利桑那州立大學研究生命起源的物理學家和天體生物學家，她希望有效信息和整合信息等概念將有助于定義她所認為的非生命和生命之間的灰色區(qū)間（病毒和細胞周期處在灰色地帶）。沃克一直在與托諾尼的團隊合作研究真實和人工細胞周期，初步跡象表明整合信息可能與生命有關。在最近的其他工作[8]中，麥迪遜小組開發(fā)了一種測量因果涌現(xiàn)的方法，稱為“黑盒化（black-boxing）”，他們說這種方法適用于單個神經(jīng)元。神經(jīng)元不是其組成原子的平均值，因此不適合粗粒度化。黑盒化就像在神經(jīng)元周圍放一個盒子并測量盒子的整體輸入和輸出，不對其內(nèi)部工作做任何假設?！昂诤谢且蚬楷F(xiàn)的真正普遍形式，對生物和工程系統(tǒng)尤其重要，”托諾尼在一封電子郵件中說。沃克也是霍爾的新工作的粉絲，該工作將有效信息和因果涌現(xiàn)追溯到信息論的基礎。她說：“我們處于如此深刻的概念領域，并不清楚該往哪個方向發(fā)展，所以我認為這個領域的任何分歧都是好的和建設性的?！?/section>惠頓學院的哲學家和物理學家羅伯特·畢曉普（Robert Bishop）說，“我認為有效信息是一種有用的涌現(xiàn)衡量標準，但可能不是唯一的衡量標準?！?霍爾的度量具有簡單的魅力，僅反映可靠性和因果關系的數(shù)量，但根據(jù)畢曉普的說法，它可能只適用于不同情況的幾種因果關系之一。霍爾的想法并沒有給德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）留下深刻印象。他說，因果涌現(xiàn)的基本前提并不激進。在閱讀了霍爾最近為Foundational Questions Institute 撰寫的文章“Agent Above, Atom below”（以羅密歐與朱麗葉為主角的那篇文章）后，阿倫森說：“我很難在這篇文章中找到世界上正統(tǒng)的還原論者會反對的東西。當然，您希望通過更高的抽象層次進行預測，并講述對預測有用的因果故事——好吧這篇文章確實解釋了其中某些原因。”考慮到排他論證阻礙了處理更高層次因果關系的努力，這對其他人來說似乎并不那么明顯?；魻栒f他的論點比阿倫森承認的要更進一步，表明“更高的尺度比其潛在的尺度具有更多的信息和因果影響。而且與大多數(shù)還原論的想法正好相反，它難在可證明的部分?！?/section>
此外，正如阿倫森所暗示的那樣，因果涌現(xiàn)不僅僅關于我們對世界的描述或“因果故事”的聲明?；魻柡退暮献髡咧荚谧C明更高層次的原因——包括智能體和其他宏觀事物——在本體論上是存在的。這種區(qū)別與哲學家大衛(wèi)·查默斯（David Chalmers）對意識的分類有關：神經(jīng)回路如何導致復雜行為的“簡單問題”和“困難問題”，本質(zhì)上是問什么將有意識的生物與無生命的自動機區(qū)分開來?！坝行畔⑹呛饬课覀冊谛袆又懈杏X到的那種因果力嗎？” Hedda Hassel M?rch說，她是紐約大學的哲學家，也是查爾默斯的門徒。她說，有效信息有可能“導致真正的本體論出現(xiàn)，但這需要對法律、權力的本質(zhì)以及它們之間的關系進行一些新的哲學思考?！?/section>對霍爾和阿爾班塔基斯打擊最大的是一位物理學家在聽到這個想法時做出的批評。物理學家斷言，這些都是噪聲，作為因果涌現(xiàn)的驅(qū)動力并不真正存在；噪聲不過是物理學家所謂的的模型要忽略的東西。“這是一個典型的物理學觀點，”阿爾班塔基斯說，“如果你知道整個宇宙的確切微觀狀態(tài)，那么我可以預測直到時間結束會發(fā)生什么，也沒有理由談論諸如因果效力之類的事情?！?/section>一種反駁是，即使在原理上，對宇宙的完美了解也是不可能的。即使宇宙可以被認為是一個自主進化的整個單元，這幅畫面也不會提供任何信息?！笆Ｏ碌木褪亲R別實體，”阿爾班塔基斯說，“因果關系真的是確定在整個宇宙狀態(tài)中組成的實體所必需的度量或量嗎？因果關系是你需要給與宇宙結構的什么?！?將因果關系視為實體是理解世界的必要工具。正如阿倫森所說的那樣，也許我們一直都知道，較高的尺度會從較低的尺度中奪取控制權。如果這些科學家是對的，那么從數(shù)學上講，因果涌現(xiàn)就是它可能的運作方式?！斑@就像我們試著打開一扇門，”霍爾說，“實際上證明那扇門能微微打開是非常重要的。因為任何人都可以揮手說，是的、可能、也許，等等只是談論的話。但現(xiàn)在你卻可以說，'系統(tǒng)就在這兒了（連同高階因果事件），來證偽吧！?！?/section>參考資料[1]http://www.erikphoel.com/[2]http://fqxi.org/community/forum/topic/2873[3]https://www.pnas.org/content/110/49/19790.short[4]https://www.mdpi.com/1099-4300/19/5/188[5]http://math_research.uct.ac.za/~ellis/[6]https://arxiv.org/abs/1212.2275[7]http://bayes.cs.ucla.edu/jp_home.html[8]https://arxiv.org/abs/1608.03461原文題目：A Theory of Reality as More Than the Sum of Its Parts原文地址：https://www.quantamagazine.org/a-theory-of-reality-as-more-than-the-sum-of-its-parts-20170601/
