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[工程技术知识]涌现是伪科学吗? |
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感觉任何量变引起质变而又暂时无法解释的现象套上一个涌现理论马上就能结束讨论，除了给涌现这个词增加热度以外毫无意义相当于把无知神化 |
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英国的海岸线有多长？当我们用10米的尺子去测量，可以量个大概。当换用 1 米的尺子，那些被10米尺子忽略的轮廓被计入，海岸线又变长了。如果继续用更精细的尺子量呢？长度会收敛到真实的海岸线长度吗？ 答案是并不会，反而会趋向无穷大！ |
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海岸线有多长？ 1967年，IBM研究员 Benoit Mandelbrot 在《Science》上发表了一篇划时代的论文《How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension》（英国海岸线有多长？统计自相似性与分数维）。 他发现，如果你用不同长度的尺子 G 去测量海岸线，得到的总长度 L(G) 会随着尺子的缩短而无限增加，且遵循公式 L(G) = M G^{1-D} 。 这里的 D 就是维度，不同于我们常识中的一维、二维、三维这种整数维度，这里的维度并不是一个整数。不列颠西海岸线的维度 D 大约是 1.25 。 像这种蜿蜒的海岸线，其宏观的复杂形态是由简单的几何规则在无数个尺度上重复迭代而“涌现”出来的 。分形的这种独特性质就是一种“涌现”。 |
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谢尔宾斯基三角形，几何分形经典示例 1972年，诺贝尔物理学奖得主 P.W. Anderson 在《Science》上发表了一篇震动整个科学界的文章，题为《More Is Different》（多者异也）。 那时候，还原论统治着物理学界。大家普遍认为，只要搞清楚了夸克、胶子这些最基本的粒子，就能像搭积木一样推导出整个宇宙的规律。 但 Anderson 在文中指出：不对。 他指出，把东西拆碎了研究，并不代表你能把它们装回去。 Anderson 举了个例子。我们看氨分子（NH_3），它是三角锥体。在量子世界里，这个分子处于一种叠加态，它的构型是不确定的。 但是，当你把原子数量增加，变成一个稍大一点的糖分子时，奇怪的事情发生了。糖分子突然“定型”了，它变成了左旋或者右旋，不再是叠加态。 而这中间也没有新的什么定律引入，仅仅是因为粒子数量的增加，系统就失去了原有的对称性。 Anderson 指出，当粒子聚集成宏观物体时，全新的属性就“涌现”出来了，比如固体的刚性。 到了1999年，这种“量变引起质变”的观点在网络科学中得到了更数学化的验证。 物理学家 Barabási 和 Albert 在《Science》上发表了《Emergence of Scaling in Random Networks》（随机网络中尺度的涌现）。 在此之前，科学家们以为复杂的网络是随机连接的，比如互联网、好莱坞演员关系网。 但这两位科学家统计了真实数据后发现，世界根本不是那样的。他们发现所有的复杂网络都遵循一个严格的数学规律：幂律分布。 |
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演员合作网、万维网和电力网的数据点。横轴代表网络中某个节点拥有的连接数量，纵轴代表概率，是指你在网络中随机抓取一个节点，这个节点的连接数恰好是 k 的可能性有多大 。 在双对数坐标下，这些点近似排列成了一条直线。这意味着网络中“涌现”出了极少数拥有海量连接的超级节点。为解释这个现象，他们提出了两个简单的微观机制： 一是“生长”，网络是不断扩大的；二是“偏好依附”，也就是所谓的“强者越强”。 不需要任何中心指令，只是让每个新加入的节点都倾向于连接大节点，整个网络就会自动涌现出这种宏观的无标度特性。 就在今年刚过去的1月份。Rosas 等人在 arXiv 上公开了预印本《What is emergence, after all?》（到底什么是涌现？）。这篇文章试图彻底破除涌现的神秘主义色彩。作者提出，涌现本质上是一种“有损数据压缩”。 想象一下，你面前有一罐气体，里面有 10^{23} 个分子进行热运动。如果要完美描述这个系统，不可能去记录每一个分子的位置和速度，这不仅做不到，而且对于理解系统的宏观行为往往是多余的。 我们完全可以把这些海量的微观信息扔掉，只保留几个关键的宏观变量，比如温度、压强和体积。 这种从海量微观细节到少数宏观变量的映射过程，文章中称之为“粗粒化” 。信息压缩后，我们却依然能够精准预测这罐气体的行为，比如会不会爆炸。这时，我们就可以说，“温度”、“压强”、“体积”这些属性从分子的运动中“涌现”了 。 |
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图中的 (e) 部分展示了微观理论如何通过“重整化群流”变成宏观理论。只要这种压缩过程是可计算的，它就是“弱涌现”，是完全科学的物理过程 论文还用群体免疫做了一个非常生动的社会学案例。群体免疫并不是简单的“接种疫苗人数+1”，而是一个基于网络结构的涌现现象。 每一个打了疫苗的人，共同在病毒传播的网络中建立了一道“防火墙” 。 当打疫苗的人少，这些防火墙零零散散时，它们的作用有限；但当接种率达到某个临界点，这些局部的阻断将会连成一片，形成一个覆盖全社会的巨大保护网，把未接种疫苗的人也保护在内 。 这种“整体大于部分之和”的保护力，就是从个体连接中涌现出的宏观性质，它完全取决于网络的拓扑结构，是一个纯粹的几何相变过程 。 最后，文章还严肃地探讨了“弱涌现”与“强涌现”的区别，明确站队了“物理主义”。 所谓“强涌现”，是指认为宏观层面会出现违反微观物理定律的“天条”，或者某种神秘的“向下因果力”，这在作者看来是伪科学或者神学的范畴 。 作者主张的是“弱涌现”：宏观现象虽然在计算上可能很难从微观推导，因为太复杂了。但它们在原理上完全兼容并依赖于微观物理定律。涌现出的宏观理论之所以存在，是因为它们在特定的尺度上是“有效”的，这种理论能让我们以极低的成本去进行分析、预测。 送礼物 还没有人送礼物，鼓励一下作者吧 |
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不是。 “涌现”是复杂系统理论的概念之一，是对现象的描述：复杂系统的整体特性不能简单还原为部分之和。“涌现理论”是关于这种描述的科学模型。针对涌现的数学描述和实证检验是科学过程的一部分，不是伪科学。 一些人运用“涌现”这类词语的方式不科学，那不一定算是伪科学。一般来说，伪科学是自称符合科学研究的规范且实际上不符合的，伪科学会系统地违背或绕过科学验证的规范，缺乏可检验性、可证伪性、逻辑一致性、与已有证据的兼容性里的至少一项。 例如，一些人将大语言模型展现的高级能力描述为“涌现”，这依赖衡量模型能力的方法。改变衡量方法可以让性能提升显得线性而非突变。这不代表拿“涌现”进行描述就成伪科学了。 大语言模型的“涌现能力”是未经直接训练、突然而不可预测地出现的能力，例如在用大量自然语言文本训练后突然能够回答并未见过的问题、总结段落或文章的内容、解答数学题并达到较高的准确率。支持现有大语言模型有“涌现能力”的学者认为，随着参数量和训练数据增加，规模较大的模型会突然具备规模较小的模型所不具备的能力，而且不能从规模较小的模型的表现推导出新能力的出现需要多大规模的模型[1]。反对现有大语言模型有“涌现能力”的学者认为，支持“涌现”的文章评估实验现象的标准决定了“涌现”的有无：非线性或不连续的评估标准会制造“涌现”的假象，线性或连续的评估标准可以相当好地预测大语言模型的能力[2]。有兴趣的读者可以看看参考 2 的内容。目前，人类语言对世界的指称并不完备（哲学在过去数千年间体现了这一点）且看起来就不能完备，数学有待进一步发展，大语言模型还缺少直接与世界互动的手段。即使大语言模型的能力“涌现”是统计幻影，在用来衡量“模型从对人来说没用变得有用”之类人们关注的实际问题并快速向人们宣传时，这种统计还是有功能的。 又例如，关于时空是否连续，我们有一些观测证据： 2011 年，ESA 的 Integral 天文卫星（国际伽玛射线天体物理实验室）测定了伽马射线暴 GRB 041219A 放出的不同能量伽马射线的偏振程度差异，未找到空间离散的证据。如果空间离散，那么其基本单位的长度不会超过 1e-48 米，这远低于普朗克长度[3] [4]。2020 年，欧洲南方天文台甚大望远镜的 ESPRESSO 光谱仪观测了一团共动距离 180 亿光年以上的气体云，它后面有个明亮的光源。气体云中存在铁原子，能以特定的波长吸收背景光。从地球上的我们看来，如果时空是连续的，那么由气体云导致的吸收线应该和气体云就在我们旁边时一样狭窄。如果时空是离散的，那么在数十亿光年范围内传播的光将会扩散开来，改变吸收线的宽度。结果是，ESPRESSO 没有发现任何时空离散的迹象[5]。2022 年 10 月 9 日，我国的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，“拉索”）探测到来自伽马暴 GRB 221009A 的约 65000 个能量范围在几百 GeV 到十几 TeV 的高能光子，首次精确测量伽马暴甚高能余辉辐射的全过程。对这些甚高能观测数据的能谱时延进行的分析没有发现任何时空离散的迹象，不同能量的光子抵达地球的时间未表现出时空量子化导致的延迟。doi: 10.1103/PhysRevLett.133.071501 一些在这种情况下坚持时空离散的假说诉诸“洛伦兹不变性是在低能下涌现的现象，在普朗克能量的水平上才能观察到明显的时空离散”。我认为这已经跟被观测赶出可观测宇宙的各种神仙妖怪类似。不过，这“涌现”仍然是科学假说、具有逻辑一致性和潜在的可检验性，我不会说这是伪科学。 另一方面，如果某人拿某种“涌现”尬扯形而上学断言、然后向你推销保健品，那就是伪科学了。 对于这问题的补充说明描述的“感觉任何量变引起质变而又暂时无法解释的现象套上一个涌现理论马上就能结束讨论，除了给涌现这个词增加热度以外毫无意义相当于把无知神化”，这可能意味着参与“讨论”的人不了解要讨论的话题，说不出更多话来，拿“涌现”草草了事。 声称一种现象属于涌现，并未回答“为什么会有这种现象”。 举例： 为何由简单个体组成的集体（系统）能完成复杂、抽象的任务（如白蚁筑巢）？——说“这是涌现”并没有回答“为何能”。 参考^例如 https://openreview.net/forum?id=yzkSU5zdwD&nesting=2&sort=date-desc^例如 https://openreview.net/forum?id=ITw9edRDlD&nesting=2&sort=date-desc^https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Integral_challenges_physics_beyond_Einstein^Constraints on Lorentz Invariance Violation using integral/IBIS observations of GRB041219A P. Laurent, D. G?tz, P. Binétruy, S. Covino, and A. Fernandez-Soto Phys. Rev. D 83, 121301(R) – Published 28 June 2011^Ryan Cooke, Louise Welsh, Michele Fumagalli, Max Pettini, A limit on Planck-scale froth with ESPRESSO, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 494, Issue 4, June 2020, Pages 4884–4890, https://doi.org/10.1093/mnras/staa440 送礼物 还没有人送礼物，鼓励一下作者吧 |
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涌现当然不是伪科学，它本质是复杂性的一种体现。 要谈论涌现我们就不得不回到Anderson的雄文More is different。在物理学中，涌现总是与还原针锋相对，后者通常是要研究那些更加“基本”的规律，这导致很多人误以为“如果一切事物皆遵守同样的基本定律，那么只有那些研究真正是基础的东西的科学家才是探索这些定律的人”，其他层次规律的研究似乎不过是那些根本规律的一些应用。 而Anderson对此有一个很犀利的批评：“将万物还原为简单基本定律的能力，并不蕴含从这些定律出发重建整个宇宙的能力。事实上，基本粒子物理学家关于基本定律的性质告知我们的越多，它们对于我们理解科学其余领域中的真正问题越不相关，对于解决社会问题就更不相关了。”并且指出：“一旦面对尺度和复杂性的双重困难，建构论假设自然会站不住脚。大型和复杂的基本粒子集合体的行为，并不能按照少数基本粒子性质的简单外推来理解。事实上，在复杂性的每一个层次，都会有崭新的性质出现；在我看来，为理解这些新行为所进行的研究，本质上是同样基础性的。” 因此涌现不单单是现象层面的，而且存在于规律层面，在新的尺度或复杂性，会冒出来新的规律。如果用简单的话来说，就是整体大于部分之和，1+1>2。至于其是如何产生的，说简单也简单——相互作用。是相互作用让个体强烈地耦合起来，导致整体满足的规律和个体满足的规律并不一致。 对于物理学来说，我们显然不是空口白话说一个emergent就好像把所有问题都解决掉一样。重要的是涌现出的是什么？以及新的现象与规律是如何涌现出来的？ 相变提供了一个精彩的例子，这也是相关资料最喜欢拿来讲的案例。其微妙之处在于，支配系统的规律的对称性（作用量或哈密顿的对称性），并不一定存在于系统之中。这种现象属于如果不是现实中到处都是，那必然是非常匪夷所思的。然而奇妙的地方就是，对称性的破坏确实遍地都是，例如大量原子分子系统的连续平移对称性破缺，造成了晶体的离散平移对称性；例如磁矩无序杂乱排布的无磁性系统，低温下破缺成有序排布的磁性系统。 另外近几十年比较流行的例子还包括，像分数量子霍尔效应这样的奇异量子态。通常的量子力学告诉我们两个粒子交换后要么波函数不变，要么出一个负号，前者是玻色子，后者是费米子。但分数量子霍尔效应中，准粒子出现了交换出分数的统计性质，也就是所谓的任意子。在其中电子和涡旋组合会组合成复合态，叫做复合费米子。 我前段时间在arxiv挂了篇论文，也是讨论涌现，在那篇论文中，我在数学上严格证明出来一个结果，就是相互作用会让原本平平无奇的系统冒出来复合粒子，我想至少这个不是什么伪科学或者诡辩，毕竟是严格恒等式的证明。 目前我们对涌现的理解还非常有限，有些在机制上搞得非常清楚，比如相变问题的对称性自发破缺和重整化群，有些也比较深刻，比如任意子之类。但就一般而言，各种规律和现象是如何涌现出来的，还是需要继续挖掘研究。革命尚未成功，同志仍需努力。 送礼物 还没有人送礼物，鼓励一下作者吧 |
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『涌现(Emergence)』严格来说不是『理论』，而是『现象』。使用『涌现』一词也不是为了结束讨论，而是为了明确讨论的方向应该侧重的层级：当观察到因『涌现』而产生的独特结果后，从『微观角度』——如复杂体系的组分——的讨论对于现象解释往往是无济于事的，或者说缺乏建设性。 这也就是经典的『多者异也(More is different)』中所谓的『还原论并不预设着建构论：将复杂系统还原为基础定律的能力并不意味着我们能从基础定律出发建构真实的世界或者是预测所有的现象(the reductionist hypothesis does not by any means imply a "constructionist"one: The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe[1])』 |
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『量变引其质变』这个说法是具有一定迷惑性的。它似乎还是在暗示着『质变』才是更重要的，所以我们应该研究的是『质变后产生的新质』——这似乎又回到了还原论的老路上。这似乎暗示了这样一种变化模式：随着量变的增加，整个系统的性质骤然改变为另外一种性质，从而原先的性质似乎就消失了不存在了，新的性质就取代了旧的性质，也就是所谓的『质变则常伴随新质的量扩张』。 然而『涌现』想描述的现象并不是这样的『量变后新质扩张取代旧质的循环』。 涌现现象想说的东西其实很简单，就是『多者异也』，就是『只要数量足够大之后，由部分组成的整体就是会产生新性质，这些新性质也只应该在数量足够大的尺度上研究』。 『涌现现象』简单来说就是许多小实体相互作用后产生了大实体，而这个大实体展现了组成它的小实体所不具有的新特性。这样的新特性并不是这些小实体在彼此间的相互作用中产生了『具有上述特性的新小实体』，也不是『大实体中的小实体』所具有的，而就是『大实体本身所具有的』。小实体并没有本质上的改变，当我们将小实体从大实体中分离后，它还是之前完全相同的小实体(这句话并不严谨)；即使我们在大实体中观察与其他小实体相互作用的小实体，它的性质实际上也和单独的小实体也是完全类似的(这句话还是不严谨)，只是多了些相互作用，也是无法体现出新特性的。 新特性只在数量足够大的小实体构成的大实体上体现，所以我们的讨论只能在这个层级之上，从低于『涌现现象』以下的『微观角度』的讨论对于现象的解释往往是无济于事的，或者说缺乏建设性的。 参考^PW Anderson Science 177 (4047), 393-396 送礼物 还没有人送礼物，鼓励一下作者吧 |
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涌现并无理论。 科学家只是把一些现象命名为涌现。 停止讨论是因为很多情况下“为什么会出现涌现现象”这个问题过于复杂困难，无从讨论。 并非认为套上涌现就解决问题了。 可能有些科普博主误导了很多人。 |
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