第12章 现实涌现而来

掌握了贝叶斯主义构建知识的工具箱，我们就能回过头来充实诗性自然主义背后的一些想法，特别是以下看似平凡但暗藏玄机的想法：这个世界可以有很多种说明的方式，每种方式都抓住了背后实体的不同侧面。

人类知识的发展向我们馈赠了几个想法，它们加起来指向的世界与我们从日常经验中构建的图景大相径庭。其中有动量守恒：宇宙不需要推动者；永恒的运动是自然而合乎预期的。我们很希望假设——当然要慎重行事，还要一直怀着如果不行就更弦易辙的预期——宇宙不需要被什么东西创造、引发，甚至维持，它可以就这样存在。然后还有信息守恒。宇宙运转的方式就是从一个瞬间迈向下一个瞬间，每一步仅仅依赖它当前的状态。它既不瞄准将来的目的，也不依赖过去的历史。

这些发现表明，世界自行其是，不受外部的指引。这些发现加起来大大提升了我们对自然主义的置信度：只有一个世界，那就是自然世界，它依据物理定律运转。但它们同时强调了另一个隐约逼近的问题：为什么我们日常经历中的世界与基础物理的世界看上去如此不同？为什么现实的基础构件并非一目了然？为什么我们用于描述日常生活的词汇——原因、目的、理由——与描述微观世界的词汇——永恒运动、拉普拉斯式的模式——如此不同？

这将我们引向了诗性自然主义中“诗性”的那部分。世界只有一个，但它可以有很多种说明方式。我们将这些方式称为“模型”、“理论”、“语汇”或者“叙事”；名称无关紧要。亚里士多德和同时代的人并没有胡编乱造；他们讲述了有关他们实际观察到的世界的一个合理的叙事。科学发现了另一套叙事，它们更难理解，但拥有更好的准确性以及更广泛的适用性。单个叙事带来的成功还远远不够；这些叙事还需要能和谐共处。

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所有不同叙事之间互相协调的枢纽是一个关键字：涌现。就像许多充满魔力的词语一样，它威力强大但不好对付，在错误的人手中还会被滥用。如果一个系统的某项特性，它不属于系统本身细致入微的“基础”描述，但当我们从大局出发观察这个系统时，会发现它很有用甚至无法避免，它就是“涌现”而来的。自然主义者相信人类的行为就是从组成人类个体的原子和力之间的复杂相互作用之中涌现而来的。

涌现无处不在。考虑一幅油画，比如说梵高的《星夜》（The Starry Night）。画布和颜料本身构成了一件人工制品；在某个层次上，它只是某些原子在某些地方的集合。这幅画除了那些原子之外别无他物。梵高没有在其中灌注任何形式的精神力量；他只是将颜料涂抹到画布上。如果组成颜料的原子被放到了别的地方，它就会成为另一幅画。

但显然确定原子的排列并不是谈及这件人工制品的唯一方式，对于绝大多数目的来说，这也不是最好的方式。当我们谈论《星夜》时，我们会谈到配色，谈到它引发的感受，谈到画上天空中星与月的回旋，可能还会谈到梵高在位于摩绶勒的圣保罗（Saint-Paul de Mausole）的疗养院中度过的日子。所有这些高层次的概念都不在那张包含所有组成那幅画的原子的干巴巴（但准确）的列表中。它们是涌现的性质。

涌现的一个经典例子就是房间中包围着你的空气，无论何时，只要你对这些话题产生疑问，都应该重新思考这个例子。空气是种气体，我们可以说它有着各种各样的属性：温度、密度、湿度、速度等。我们将空气看成连续的流体，而所有这些属性在房间中所有点上都有一个数值（记住气体和液体一样，都是流体）。但我们知道空气并不是“真正”的流体。如果非常仔细地观察，在微观层面上，我们会看到空气是由一个个原子和分子构成的，绝大部分是氮气分子和氧气分子，还有痕量的其他元素和化合物。对于空气的其中一种说明方式就是简单地列出每一个分子——大概有1028个——然后具体列出它们的位置、速度、空间朝向等信息。这有时候被称为动力学理论，也是完全合理的说明方式。具体描述每个分子在某个时刻中的状态，这构成了对系统一致而独立的描述；如果你拥有像拉普拉斯妖那样的能力，这些描述足以确定其他任何时刻中系统的状态。但在实践中这种做法无比繁琐，没人真的会这样讨论。

用温度和密度等宏观的流体属性去描述空气，这也是一种完全合理的说明方式。就像有方程能告诉我们分子个体之间如何随着时间流逝互相撞击和移动的那样，也有另一组方程能告诉我们流体的参数如何随时间而变化。好消息是，你不需要像拉普拉斯妖那样聪明才能实际解出答案；一台现实中的计算机完全能胜任。大气科学家与航空工程师每天都在解这样的方程。

所以说，流体描述与分子描述是两种关于空气的说明方式，它们二者——至少在某些情况下——以非常精确而有用的方式告诉我们空气如何流转。这个例子阐明了在关于涌现的讨论中经常出现的几个相关的特点：

·不同的叙事，或者说理论，会用到完全不同的词汇；即使描述的是同一个现实，它们在本体论上截然不同。在一个理论中，我们谈到的是流体的密度、压力和黏度；在另一个理论中，我们谈到的是每个单独分子的位置和速度。每个叙事都包含着精巧配合的一组因素——对象、属性、过程、关系——而这些因素在叙事之间可以大相径庭，即使这些叙事全部都是“正确”的。

·每个理论都有特定的适用范围。如果区域内分子的数目非常小，以至于每个分子的作用都有各自的重要性，而不是仅仅呈现为一个集体，那么流体描述就不再合理。分子描述在更广泛的情况下仍然有效，但也并不适合所有情况；我们可以想象将足够多的分子打包到空间中一个足够小的区域，使它们坍缩成黑洞，这时与分子相关的语汇就不再适用。

·在各自的适用范围内，每个理论都是自治的——它们完整而独立，没有相互依赖。如果我们使用的是流体的语言，我们会用密度和压力等概念来描述空气。根据流体理论，只要确定这些数值，就足以回答有关空气的任何问题，特别是其中不需要涉及任何有关原子及其性质的概念。在历史上，在得知空气由分子构成之前很长一段时间，我们就已经开始谈论空气的压力和速度。同样，当我们谈论原子时，根本不需要用到像“压力”和“黏度”这些词——在这里那些概念纯粹不适用。

我们学到的关键一课，是不同的叙事提及的概念可以天差地别，但它们都准确地描述了背后的同一个事物。在接下来这一点至关重要。生物可以有生命，即使组成它们的分子没有生命。动物可以有意识，即使它们的细胞没有意识。人们可以作出选择，即使“选择”这个概念并不适用于组成他们的部件。

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如果我们有两个不同的理论，它们都准确地描述了同一个现实，那么它们必定相互联系，并且彼此相容。这种关系有时候简单而容易理解，有时候我们只能相信它的存在。

流体力学从分子描述中涌现就是个再简单不过的例子。我们能从一个理论中通过被称为粗粒化的过程来直接得到另一个理论。这是从一个理论（分子）到另一个理论（流体）的显式映射。第一个理论的某个特定的状态——一张写着所有分子、它们的位置以及速度的列表——对应这第二个理论中的某个特定状态——在每个点上流体的密度、压力以及速度。

不仅如此，在分子理论中的许多不同的状态会被映射到流体理论中的同一状态。在这种情况下，我们通常将第一个理论称为“微观”、“细粒度”或者“基础”理论，而将第二个称为“宏观”、“粗粒度”、“涌现”或者“有效”理论。这些标签并不绝对。对于一位利用有关细胞和组织的涌现理论工作的生物学家来说，有关原子以及原子之间相互作用的理论可能就是对应的微观描述；对于研究量子引力的弦论学家来说，超弦可能才是微观实体，而原子则是涌现的现象。彼之微观，我之宏观。

我们希望我们的理论能给出彼此相容的物理预测。想象一下，在微观理论中的某个状态x演变为了另一个状态y，而“涌现”的映射将状态x和y分别映射到涌现理论中的状态X和Y。那么，状态X最好在涌现理论的规则下也会演变为状态Y，或者至少这种演变的概率非常高。从微观状态出发，“在微观理论中随着时间演化，然后考虑涌现理论中对应的状态”这个过程，得到的结果应该与“先考虑涌现理论中对应的状态，然后在涌现理论中随着时间演化”一致。

粗粒化只能往一个方向走——从微观到宏观——但不能往回走。只知道宏观理论的话，无法发现微观理论的性质。实际上，涌现理论可以有多种实现方式：原则上可以有许多不同的微观理论，它们之间互不相容，但与相同的宏观描述相容。你可以将空气理解成流体，而不需要知道有关它分子构成的任何知识，甚至不需要知道它存在一种粒子上的描述。

涌现如此有用，原因就是不同的理论并非生而平等。在它的适用范围内，涌现的流体理论在计算方面要比微观的分子理论远远有效。写下数个流体变量要比列出所有分子的状态要容易得多。通常——虽然不是绝对——适用范围更广的理论在计算方面也更繁琐。一个理论的广度与实用性，二者通常需要取舍。

我们能构造关于房间里空气的两个不同的理论，一个作为流体，另一个作为分子组成的集合，这个涌现的例子特别实在生动，也能作为更广阔的诗性自然主义对同一现实进行多重叙事的例子。你可能也会猜到，这里有几点微妙之处值得探索。

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分子—流体这个例子的特点之一，就是我们能从微观的分子理论推导出宏观的流体理论。也就是说，我们可以从分子出发，假定在空间中每一点的分子密度都足够高，然后将分子的分布“平滑化”，用以从分子的行为获得有关类似压力和温度等流体性质的具体公式。这就是我们之前说的“粗粒化”。

然而，我们实际上巧妙利用了动力学理论中一个非常特殊的性质，但这个性质并不能就此延伸到我们感兴趣的其他情况。本质上来说，空气中的分子是相当简单的物体，当它们尝试通过空间中同一点时，就会盲目地互相碰撞。要推导出空气的流体描述，我们所做的实际上就是计算所有这些分子的平均属性。平均分子数给出了密度，平均能量给出了温度，不同方向上的平均动量给出了压力，如此等等，不一而足。

我们不能把这种特点看作理所当然。特别是量子力学，它的特色就是量子纠缠这一现象。我们不再能够通过列出所有子系统各自的状态来确定整个系统的状态；我们要将系统视为整体，因为系统的各个部分可以相互纠缠。更进一步，当我们将量子力学与万有引力结合时，许多人相信（但并不完全确定，因为我们对量子引力几乎没有确切的了解）空间本身是涌现而来的，而不是基础的组成部分。那样的话，将“空间中的位置”作为一个基础概念来讨论就不再有意义。

我们不需要上升到量子引力的深奥领域，就能找到这样的例子，其中直接的平滑化过程不足以将我们从微观理论引向涌现理论。也许我们想要找到从许许多多神经元的行为中涌现出来的有关人类大脑的理论，又或者是由组成神经元的分子之间的相互作用中涌现出来的关于单一神经元的理论。问题在于，无论是神经元还是神经元中复杂的有机分子，它们自身都已经相对复杂；它们的行为以某种微妙的方式依赖于从环境中接收到的特定信号。单纯在某个区域取平均值并不能捕捉到所有的微妙之处。这不是说不可能存在有用的涌现理论，以及相应的多对一映射，能将神经元的状态映射到大脑的状态，或者将分子的状态映射到神经元的状态；我们只是说要找到这样的理论，比起为房间里的空气建立理论，道路要更加迂回曲折。

房间里边空气的分子以及流体描述，它们给出了涌现的一个质朴而没有争议的例子。每个人都会同意其中发生的事情以及如何去谈论它们。但它的简单也可能会误导人。看到从分子推导出流体力学这一相对简单的过程之后，人们会以为涌现的全部内容就是从一个理论中推导出另一个。并非如此——涌现的意思是，不同的理论即使运用不同的词汇，却仍能在各自的适用范围中为同一种现象提供互相兼容的描述。如果宏观理论的适用范围是某个微观理论适用范围的子集，而两个理论都是一致的，那么我们可以说微观理论导出了宏观理论；但这通常只是我们习以为常的情况，并没有清楚明白的证明。从一个理论一步步推导出另一个，如果能实现的话那是件好事情，但这并不是整个想法的关键之处。

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当系统随时间演变时，有时出于对外部环境变化作出的反应，它可能会跳出其中一种涌现描述的适用范围，进入另一种的适用范围——这又被称为相变。我们最熟悉的例子就是水。在不同的温度和压力下，水可以呈现为固态的冰、液态的水或者气态的水蒸气。它最根本的微观描述仍然不变——还是H2O——但它的宏观性质从一个“相”转移到了另一个。在不同的条件下，我们谈论水的方式也会改变：密度、硬度、介质中的声速，以及其他水的特性都会完全改变，而我们所用的词汇也会随之改变（你不会说灌进一块冰或者凿出一杯水）。

相变到底是如何发生的，这对科学家而言是一个拥有无尽魅力的课题。相变有的迅速，有的迟缓；有些会在根本上改变物质的性态，有些却是更和缓的演变。图中所示的是相变中一个有趣的特点：并不是所有转变都可以在表面上观察到。当我们加热水的时候，它会从冰变成液态水再变成蒸汽，而温度也一直上升。在特定的相变点处，会有一段时间温度维持不变，但水的分子间结构却发生了改变。在相变中，有可能出现全新的物理性质，比如固态、透明性或者导电性。还有生命，或者意识。

当谈及简单的分子系统时，我们通常可以很好地确定它适用的理论语汇以及相变会何时发生。当我们开始讨论生物学或者人类互动时，这道界线就会变得模糊不清，但类似的基本想法同样适用。我们都经历过在一屋子人里，在某个人说出正确（或者错误）的话，或者有新人加入时，人们心情的突然变化。以下是宇宙历史上重要相变的部分列表：

·在早期宇宙中，由夸克和胶子结集而成的质子和中子的诞生。

·在大爆炸之后数十万年后，电子与原子核组成原子。

·第一批恒星的形成，它们向宇宙注入了新的光明。

·生命起源：能自我维持的复杂化学反应。

·多细胞生物，由不同的生命个体聚集为一而成。

·意识：自我的觉醒，以及构建对宇宙的心智表征的能力。

·语言以及构建与分享抽象思考的能力的起源。

·机械与技术的发明。

相变既有物质层面上的，也有思想层面上的。科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）推广了“范式转移”（paradigm shift）这个想法，用以描述新理论如何引导科学家们以与此前截然不同的概念去思考这个世界。即使是某个人对某件事情改变了想法，这也可以看成相变：现在我们谈论这个人的最精确的方法改变了。人就像水一样，也会在思考中停滞不前，这时在外人看来，他们保持的信念依然不变，但他们心中的思考方式正在逐渐调整。

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每个理论，或者说描述方式，都只在某个特定的适用范围内才有效，这个事实至关重要。跟之前一样，有关空气的例子非常简单，但这种简单会让我们误以为所有情况都会如此顺利。

即使我们认为房间里的空气“真的”由不同的分子组成，仍然有某些情况没有包含在分子理论的适用范围内，比如说当密度大得会让空气坍缩为黑洞的情况（不要担心，在绝大部分你可能到访的房间里，情况都与此相去甚远）。但在这些情况下，流体描述同样失效。实际上，涌现的流体理论的适用范围是分子理论适用范围的真子集。

这个情况——两种说明方式中，一种的适用范围在另一种之内——并非必然会发生。在图中，我们展示了不同的适用范围之间可能的关系。可能其中一个是另一个的子集；可能两者各不相同，但有重叠；也可能两者完全不同，没有任何重叠。例如，在弦论这个量子引力的有力候补中，不同理论之间有着“对偶关系”，这时我们遇到的是中间的情况，也就是两个理论的适用范围互相重叠。

另一个可能有些争议的例子就是人类的意识。人由粒子构成，而我们有一幅关于单个粒子行为的相当成功的图景，那就是我们会在第22章讨论的核心理论。你可能会认为，只要知道一个人所有粒子的完整状态，就能完全地描述这个人。我们很有理由相信粒子物理的适用范围包括了组成人类个体的粒子。然而无论可能性多么微小，还有一种情况，就是寥寥可数的基本粒子互相作用的时候，也就是粒子物理学家研究的情况下，它们会遵循某一套规则，但当它们组合起来构成人体时，却遵循另一套稍有差别的规则。这种情况被称为强涌现，在下一章我们会仔细探讨。没有直接证据说明这种情况会发生在人类身上，但如果你觉得，原则上所有人类行为都可以用粒子物理中已知的规则来描述，这种情况的各种后果你不能接受的话，那么在强涌现下就可以避免它们。

在讨论涌现时，我们甚少遇到适用范围并非互相嵌套的情况。更有可能发生的是类似图中左边的情况，也就是一个理论的适用范围正好包含在另一个理论中，有时还形成一串理论的相互嵌套。的确，这种情况与19世纪法国哲学家奥古斯特·孔德（Auguste Comte）提出的“科学层级”非常类似。在这个观点中，我们以物理作为最微观、覆盖最广的层次，其中涌现出化学，然后是生物学，接下来是心理学，最后是社会学。

就是在这种层级分明的图景让人们在讨论涌现时会谈到“层次”。较低层次上的是更微观、粒度更细的描述，而更高层次上的是更宏观、粒度更粗的理论。如果现实的确如此，那就太美妙了，但最重要的并不是这样的层级结构的确实际存在，而是同一个世界也存在各种不同的描述方式，而在适用范围重叠之处，这些描述方式互相兼容。