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===涌现===

===涌现===

涌现一直是复杂系统中的一个重要特性和研究对象，是许多关于复杂性本质以及宏微观组织之间关系讨论的中心概念<ref>Meehl P E, Sellars W. The concept of emergence[J]. Minnesota studies in the philosophy of science, 1956, 1239-252.</ref><ref name=":7">Holland J H. Emergence: From chaos to order[M]. OUP Oxford, 2000.</ref>。涌现可以简单理解为整体大于部分之和，即整体上展现出构成它的个体所不具备的新特性<ref>Anderson P W. More is different: broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of science[J]. Science, 1972, 177(4047): 393-396.</ref>。尽管在各个领域都被指出存在涌现的现象<ref name=":7" /><ref>Holland, J.H. Hidden Order: How Adaptation Builds Complexity; Addison Wesley Longman Publishing Co., Inc.: Boston, MA, USA, 1996.</ref>，如鸟类的群体行为<ref>Reynolds, C.W. Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model. In Proceedings of the 14th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, Anaheim, CA, USA, 27–31 July 1987; pp. 25–34.</ref>，大脑中的意识形成，以及大语言模型的涌现能力<ref>Wei, J.; Tay, Y.; Bommasani, R.; Raffel, C.; Zoph, B.; Borgeaud, S.; Yogatama, D.; Bosma, M.; Zhou, D.; Metzler, D.; et al. Emergent abilities of large language models. arXiv 2022, arXiv:2206.07682.</ref>，但目前还没有对这一现象的统一理解。以往对涌现有很多定性的研究，如 Bedau et al<ref name=":9">Bedau, M.A. Weak emergence. Philos. Perspect. 1997, 11, 375–399. [CrossRef] </ref><ref>Bedau, M. Downward causation and the autonomy of weak emergence. Principia Int. J. Epistemol. 2002, 6, 5–50. </ref>对涌现进行了分类，可以将涌现分为名义涌现<ref name=":10">Harré, R. The Philosophies of Science; Oxford University Press: New York, NY, USA , 1985.</ref><ref name=":11">Baas, N.A. Emergence, hierarchies, and hyperstructures. In Artificial Life III, SFI Studies in the Science of Complexity, XVII; Routledge: Abingdon, UK, 1994; pp. 515–537.</ref>、弱涌现<ref name=":9" /><ref>Newman, D.V. Emergence and strange attractors. Philos. Sci. 1996, 63, 245–261. [CrossRef]</ref>与强涌现<ref name=":12">Kim, J. ‘Downward causation’ in emergentism and nonreductive physicalism. In Emergence or Reduction; Walter de Gruyter: Berlin, Germany, 1992; pp. 119–138. </ref><ref name=":13">O’Connor, T. Emergent properties. Am. Philos. Q. 1994, 31, 91–104</ref>。名义涌现可以理解为能被宏观层级的模式或过程所拥有，但不能被其微观层级的组件所拥有的属性<ref name=":10" /><ref name=":11" />。弱涌现是指宏观层面的属性或过程是通过单个组件之间以复杂的方式相互作用产生的，由于计算不可约性的原理，它们不能轻易地简化为微观层面的属性。对于弱涌现来说，其模式产生的原因可能来自微观和宏观两个层面<ref name=":12" /><ref name=":13" />。因此，涌现的因果关系可能与微观因果关系并存。而对于强涌现来说存在很多的争论，它指的是宏观层面的属性，原则上不能简化为微观层面的属性，包括个体之间的相互作用。此外，Jochen Fromm进一步将强涌现解释为[[向下因果]]的因果效应<ref>Fromm, J. Types and forms of emergence. arXiv 2005, arXiv:nlin/0506028</ref>。考虑一个包含三个不同尺度的系统：微观、介观和宏观。向下因果关系是指从宏观层面向介观层面或从介观层面向微观层面的因果力。然而，关于向下因果关系本身的概念存在许多争议<ref>Bedau, M.A.; Humphreys, P. Emergence: Contemporary Readings in Philosophy and Science; MIT Press: Cambridge, MA, USA, 2008. </ref><ref>Yurchenko, S.B. Can there be a synergistic core emerging in the brain hierarchy to control neural activity by downward causation? TechRxiv 2023 . [CrossRef] </ref>。

[[涌现]]一直是复杂系统中的一个重要特性和研究对象，是许多关于复杂性本质以及宏微观组织之间关系讨论的中心概念<ref>Meehl P E, Sellars W. The concept of emergence[J]. Minnesota studies in the philosophy of science, 1956, 1239-252.</ref><ref name=":7">Holland J H. Emergence: From chaos to order[M]. OUP Oxford, 2000.</ref>。涌现可以简单理解为整体大于部分之和，即整体上展现出构成它的个体所不具备的新特性<ref>Anderson P W. More is different: broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of science[J]. Science, 1972, 177(4047): 393-396.</ref>。尽管在各个领域都被指出存在涌现的现象<ref name=":7" /><ref>Holland, J.H. Hidden Order: How Adaptation Builds Complexity; Addison Wesley Longman Publishing Co., Inc.: Boston, MA, USA, 1996.</ref>，如鸟类的群体行为<ref>Reynolds, C.W. Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model. In Proceedings of the 14th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, Anaheim, CA, USA, 27–31 July 1987; pp. 25–34.</ref>，大脑中的意识形成，以及大语言模型的涌现能力<ref>Wei, J.; Tay, Y.; Bommasani, R.; Raffel, C.; Zoph, B.; Borgeaud, S.; Yogatama, D.; Bosma, M.; Zhou, D.; Metzler, D.; et al. Emergent abilities of large language models. arXiv 2022, arXiv:2206.07682.</ref>，但目前还没有对这一现象的统一理解。以往对涌现有很多定性的研究，如 Bedau et al<ref name=":9">Bedau, M.A. Weak emergence. Philos. Perspect. 1997, 11, 375–399. [CrossRef] </ref><ref>Bedau, M. Downward causation and the autonomy of weak emergence. Principia Int. J. Epistemol. 2002, 6, 5–50. </ref>对涌现进行了分类，可以将涌现分为名义涌现<ref name=":10">Harré, R. The Philosophies of Science; Oxford University Press: New York, NY, USA , 1985.</ref><ref name=":11">Baas, N.A. Emergence, hierarchies, and hyperstructures. In Artificial Life III, SFI Studies in the Science of Complexity, XVII; Routledge: Abingdon, UK, 1994; pp. 515–537.</ref>、弱涌现<ref name=":9" /><ref>Newman, D.V. Emergence and strange attractors. Philos. Sci. 1996, 63, 245–261. [CrossRef]</ref>与强涌现<ref name=":12">Kim, J. ‘Downward causation’ in emergentism and nonreductive physicalism. In Emergence or Reduction; Walter de Gruyter: Berlin, Germany, 1992; pp. 119–138. </ref><ref name=":13">O’Connor, T. Emergent properties. Am. Philos. Q. 1994, 31, 91–104</ref>。名义涌现可以理解为能被宏观层级的模式或过程所拥有，但不能被其微观层级的组件所拥有的属性<ref name=":10" /><ref name=":11" />。弱涌现是指宏观层面的属性或过程是通过单个组件之间以复杂的方式相互作用产生的，由于计算不可约性的原理，它们不能轻易地简化为微观层面的属性。对于弱涌现来说，其模式产生的原因可能来自微观和宏观两个层面<ref name=":12" /><ref name=":13" />。因此，涌现的因果关系可能与微观因果关系并存。而对于强涌现来说存在很多的争论，它指的是宏观层面的属性，原则上不能简化为微观层面的属性，包括个体之间的相互作用。此外，Jochen Fromm进一步将强涌现解释为[[向下因果]]的因果效应<ref>Fromm, J. Types and forms of emergence. arXiv 2005, arXiv:nlin/0506028</ref>。考虑一个包含三个不同尺度的系统：微观、介观和宏观。向下因果关系是指从宏观层面向介观层面或从介观层面向微观层面的因果力。然而，关于向下因果关系本身的概念存在许多争议<ref>Bedau, M.A.; Humphreys, P. Emergence: Contemporary Readings in Philosophy and Science; MIT Press: Cambridge, MA, USA, 2008. </ref><ref>Yurchenko, S.B. Can there be a synergistic core emerging in the brain hierarchy to control neural activity by downward causation? TechRxiv 2023 . [CrossRef] </ref>。

===早期相关工作===

===早期相关工作===

====计算力学====

====计算力学====

计算力学理论试图用定量的框架来表述涌现的因果关系，希望从一个随机过程的观测中构造一个最小的因果模型，从而来产生观测的时间序列<ref name=":3" />。其中随机过程可以用<math>\overleftrightarrow{s}</math>表示，基于时间<math>t</math>可以将随机过程分为两个部分，时间前和时间后的过程，<math>\overleftarrow{s_t}</math>和<math>\overrightarrow{s_t}</math>，当这个过程是平稳过程时，可以去掉时间。因此，可以将所有可能的历史过程<math>\overleftarrow{s_t}</math>形成的集合记作<math> \overleftarrow{S}</math>，所有未来的过程形成的集合记作<math> \overrightarrow{S}</math>。可以将<math>\overleftarrow{S}</math>分解为相互排斥又联合全面的子集，形成的集合记为<math>\mathcal{R}</math>，<math>R \in \mathcal{R}</math>中的任意子集可以看作是一个状态，定义一个分解函数<math>\eta:S→\mathcal{R}</math>。此外，定义了因果等价的概念，如果<math>P\left ( \overrightarrow{s}|\overleftarrow{s}\right )=P\left ( \overrightarrow{s}|{\overleftarrow{s}}'\right )</math>，则<math>\overleftarrow{s}</math>和<math>{\overleftarrow{s}}'</math>（表示<math>\overleftarrow{s}</math>的子集）是因果等价的。将历史<math>\overleftarrow{s_t}</math>的所有因果状态定义为<math>\epsilon \left ( \overleftarrow{s} \right )</math>，将两个因果状态<math>S_i</math>和<math>S_j</math>之间的因果转移概率记为<math>T_{ij}^{\left ( s \right )}</math>，一个随机过程的<math>\epsilon-machine</math>被定义为有序对<math>\left \{ \epsilon,T \right \}</math>，是一种模式发现机器，其中<math>\epsilon</math>是因果状态函数， <math>T</math>是通过<math>\epsilon</math>定义的状态转移矩阵的集合。通过证明<math>\epsilon-machine</math>具有最大程度的预测性和最小程度的随机性这两个重要特性验证了它在某种意义上是最优的。但是方法没有给出涌现的明确定义和定量理论，随后一些研究人员进一步推进了计算力学的发展，Shalizi等<ref>C. R. Shalizi, C. Moore, What is a macrostate? subjective observations and objective dynamics, arXiv preprint cond-mat/0303625 (2003).</ref>在自己的工作中讨论计算力学与涌现的关系，同时在另一个工作中，Shalizi等<ref>C. R. Shalizi, Causal architecture, complexity and self-organization in time series and cellular automata, The University of Wisconsin-Madison, 2001.</ref>还将计算力学应用于[[元胞自动机]]，并且在更高的描述水平上发现涌现的“粒子”。

[[计算力学]]理论试图用定量的框架来表述涌现的因果关系，希望从一个随机过程的观测中构造一个最小的因果模型，从而来产生观测的时间序列<ref name=":3" />。其中随机过程可以用<math>\overleftrightarrow{s}</math>表示，基于时间<math>t</math>可以将随机过程分为两个部分，时间前和时间后的过程，<math>\overleftarrow{s_t}</math>和<math>\overrightarrow{s_t}</math>，当这个过程是平稳过程时，可以去掉时间。因此，可以将所有可能的历史过程<math>\overleftarrow{s_t}</math>形成的集合记作<math> \overleftarrow{S}</math>，所有未来的过程形成的集合记作<math> \overrightarrow{S}</math>。可以将<math>\overleftarrow{S}</math>分解为相互排斥又联合全面的子集，形成的集合记为<math>\mathcal{R}</math>，<math>R \in \mathcal{R}</math>中的任意子集可以看作是一个状态，定义一个分解函数<math>\eta:S→\mathcal{R}</math>。此外，定义了因果等价的概念，如果<math>P\left ( \overrightarrow{s}|\overleftarrow{s}\right )=P\left ( \overrightarrow{s}|{\overleftarrow{s}}'\right )</math>，则<math>\overleftarrow{s}</math>和<math>{\overleftarrow{s}}'</math>（表示<math>\overleftarrow{s}</math>的子集）是因果等价的。将历史<math>\overleftarrow{s_t}</math>的所有因果状态定义为<math>\epsilon \left ( \overleftarrow{s} \right )</math>，将两个因果状态<math>S_i</math>和<math>S_j</math>之间的因果转移概率记为<math>T_{ij}^{\left ( s \right )}</math>，一个随机过程的<math>\epsilon-machine</math>被定义为有序对<math>\left \{ \epsilon,T \right \}</math>，是一种模式发现机器，其中<math>\epsilon</math>是因果状态函数， <math>T</math>是通过<math>\epsilon</math>定义的状态转移矩阵的集合。通过证明<math>\epsilon-machine</math>具有最大程度的预测性和最小程度的随机性这两个重要特性验证了它在某种意义上是最优的。但是方法没有给出涌现的明确定义和定量理论，随后一些研究人员进一步推进了计算力学的发展，Shalizi等<ref>C. R. Shalizi, C. Moore, What is a macrostate? subjective observations and objective dynamics, arXiv preprint cond-mat/0303625 (2003).</ref>在自己的工作中讨论计算力学与涌现的关系，同时在另一个工作中，Shalizi等<ref>C. R. Shalizi, Causal architecture, complexity and self-organization in time series and cellular automata, The University of Wisconsin-Madison, 2001.</ref>还将计算力学应用于[[元胞自动机]]，并且在更高的描述水平上发现涌现的“粒子”。

====G-emergence====

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