這是一篇有關(guān)涌現(xiàn)論文的翻譯，是至今為止對(duì)涌現(xiàn)現(xiàn)象最全面的總結(jié)之一，也可以看做從復(fù)雜性角度考察所有系統(tǒng)的一篇指南。文章作者是 Jochen Fromm，是德國(guó)卡塞爾大學(xué)（University of Kassel）的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)專(zhuān)家，另外著有《The Emergence of Complexity》一書(shū)。

地址：https:///abs/nlin/0506028

作者：Jochen Fromm 

  翻譯：十三維                 

如果我們想了解和掌握科學(xué)和工程中的復(fù)雜系統(tǒng)，不同類(lèi)型涌現(xiàn)的知識(shí)是必不可少的。從機(jī)器中有意和可預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單涌現(xiàn)，到更復(fù)雜的弱涌現(xiàn)、多重涌現(xiàn)和強(qiáng)涌現(xiàn)，本文對(duì)多主體系統(tǒng)中涌現(xiàn)的主要類(lèi)型和形式進(jìn)行了普遍而全面的分類(lèi)。

1. 介紹

在由許多自治實(shí)體或主體（autonomous entities or agents）組成的系統(tǒng)中，秩序和組織的涌現(xiàn)是一個(gè)非?；镜倪^(guò)程。涌現(xiàn)的過(guò)程涉及到了一個(gè)基本問(wèn)題：「一個(gè)實(shí)體是如何產(chǎn)生的？」 在涌現(xiàn)的過(guò)程中，我們觀察到一些事物（如秩序或組織的出現(xiàn)），并問(wèn)這是如何可能的，因?yàn)槲覀?strong>假定其中具有因果關(guān)系：每個(gè)結(jié)果都應(yīng)該有一個(gè)原因。但在涌現(xiàn)過(guò)程中令人驚訝的一面是，我們觀察到了一個(gè)沒(méi)有明顯原因的效果。當(dāng)然，盡管這看起來(lái)似乎很神秘，但其實(shí)并沒(méi)有什么神奇的、魔法的或不科學(xué)的地方。

（圖1：涌現(xiàn)體現(xiàn)著宇宙最深的秘密）

正如 Laughlin 在他的書(shū)中所說(shuō)那樣[1]，考慮具有涌現(xiàn)特性的世界，其中最深的奧秘就像我們身邊的幼苗、冰塊、鹽?；蛏扯岩粯咏?。如果我們不能很好理解自己尺度上的事物，那么在難以想象的高能級(jí)或極端尺度上找到終極規(guī)律就更值得懷疑了。換句話說(shuō)，我們必須先退后一步，看一看日常物體的模式和相互作用，才能發(fā)現(xiàn)我們宇宙的本質(zhì)。

（圖2：神奇的涌現(xiàn)在日常隨處可見(jiàn)）

涌現(xiàn)特性充滿驚異和悖論：它們非?；荆珜?duì)我們又非常熟悉。根據(jù) John H. Holland 的說(shuō)法，生成系統(tǒng)（generated systems）中的涌現(xiàn)現(xiàn)象是典型的具有變化成分的持續(xù)模式[2]，也就是說(shuō)，它們同時(shí)是不變的和變化的、恒定和波動(dòng)的、持續(xù)和轉(zhuǎn)變的、必然發(fā)生但又不可預(yù)測(cè)的。而且，涌現(xiàn)屬性既是系統(tǒng)的一部分，同時(shí)又不是系統(tǒng)的一部分，它依賴(lài)于系統(tǒng)因?yàn)樗谙到y(tǒng)中出現(xiàn)，但在一定程度上又獨(dú)立于系統(tǒng)。根據(jù)《斯坦福哲學(xué)百科全書(shū)》（Stanford Encyclopedia of Philosophy）：

涌現(xiàn)實(shí)體（屬性或物質(zhì)）從更基本的實(shí)體中「升」出來(lái)，但對(duì)它們而言卻是「新穎的」或「不可還原的」（irreducible）[3]。 

由于真正的涌現(xiàn)屬性是不可還原的，所以它們不可能被摧毀或分解——只能出現(xiàn)或消失。在這層意義上，它們似乎是不可毀滅（indestructible）的，并有可能是唯一實(shí)存的東西（譯注：destroy 意味著對(duì)組成原件或構(gòu)成進(jìn)行破壞，但對(duì)涌現(xiàn)屬性我們找不到它的構(gòu)成，因此無(wú)法進(jìn)行這個(gè)意義上的「毀滅」。例如火焰，它在微觀不存在，存于宏觀卻無(wú)法找到其宏觀構(gòu)成，只能熄滅或無(wú)法從構(gòu)成上意義上分解或毀滅。）但如果它們被仔細(xì)核查——即我們對(duì)系統(tǒng)的組成進(jìn)行深入細(xì)致地觀察——它們又根本不存在，往往很快消失得無(wú)影無(wú)蹤。

悖論的產(chǎn)生主要是因?yàn)槲覀兺荒芸吹搅藦?fù)雜系統(tǒng)的一面，例如只考慮了微觀或宏觀層面，而不是同時(shí)考慮兩者，或者只看到了系統(tǒng)或環(huán)境，而非同時(shí)兩者。要理解一個(gè)具有多層次和多尺度的復(fù)雜系統(tǒng)是很困難的。

涌現(xiàn)是一種悖論：涌現(xiàn)的屬性往往是不變的和變化的，恒定的和波動(dòng)的，持續(xù)的和轉(zhuǎn)變的，不可避免的和不可預(yù)測(cè)的，依賴(lài)于和獨(dú)立于它們所產(chǎn)生的系統(tǒng)。

軟件和硬件系統(tǒng)中不可預(yù)見(jiàn)的故障和意外是一種特殊的、不被希望出現(xiàn)的涌現(xiàn)形式。正如 Duncan J. Watts 所說(shuō)：「世界上最好的維護(hù)程序也不能確保預(yù)防那些還不知道存在的故障……即使人們盡了最大努力，故障還是會(huì)發(fā)生」[4]。我們有必要了解復(fù)雜系統(tǒng)中的涌現(xiàn)過(guò)程，以便創(chuàng)造出復(fù)雜而穩(wěn)健的新形式系統(tǒng)，為錯(cuò)誤的發(fā)生做好準(zhǔn)備，盡可能防止失敗。如果我們想在科學(xué)和工程中理解和掌握復(fù)雜系統(tǒng)，顯然對(duì)不同類(lèi)型涌現(xiàn)的了解至關(guān)重要。 

社會(huì)性動(dòng)物之間的自組織通常涉及一些涌現(xiàn)的「技巧」：信息素技巧（pheromone trick，用信息素場(chǎng)標(biāo)記感興趣的物品）和結(jié)群技巧（flocking trick，呆在群體附近，但不要太靠近你的鄰居）。這兩個(gè)簡(jiǎn)單的技巧就導(dǎo)致了蟻群、白蟻堆、蜂群、鳥(niǎo)群、哺乳動(dòng)物群和魚(yú)群等生物種群的涌現(xiàn)。

（圖3：簡(jiǎn)單規(guī)則下涌現(xiàn)出的魚(yú)群）

一種清晰的形式化描述將有助于回答涌現(xiàn)問(wèn)題。Ale? Kubík [5]和 Yaneer Bar-Yam [6]曾試圖用語(yǔ)法、形式語(yǔ)言和數(shù)學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。然而「涌現(xiàn)」這個(gè)詞太籠統(tǒng)了，不能用單一門(mén)科學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)涵蓋它。「像涌現(xiàn)這樣復(fù)雜的主題不太可能服從于一個(gè)簡(jiǎn)潔的定義」[7]涌現(xiàn)很難用一個(gè)模型或理論來(lái)刻畫(huà)，這是因?yàn)樵谟楷F(xiàn)的過(guò)程中，新的和不可預(yù)測(cè)的實(shí)體出現(xiàn)了，它們受自己的規(guī)律支配。它與定義新的類(lèi)別、概念和描述性術(shù)語(yǔ)的必要性有關(guān)。問(wèn)題正如 Robert I.Damper 所言，「我們將如何避免為每一個(gè)案例重新做這件事？」 [8]。

既然用語(yǔ)法、形式語(yǔ)言或數(shù)學(xué)的形式化描述不適合也難以解決這個(gè)困難的問(wèn)題，那么至少一個(gè)完整而系統(tǒng)的分類(lèi)會(huì)有幫助。本文就試圖為各種類(lèi)型和形式的涌現(xiàn)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的分類(lèi)方法。

2. 定義和屬性

由于涌現(xiàn)是一個(gè)模棱兩可的詞，因此從一個(gè)明確的定義開(kāi)始是必要的。在下文中，涌現(xiàn)的（emergent）和涌現(xiàn)（emergence）是這樣定義的：

如果一個(gè)系統(tǒng)的屬性不是其任何基本元素的屬性，那么它就是涌現(xiàn)的。涌現(xiàn)是涌現(xiàn)的屬性和結(jié)構(gòu)在更高層次組織或復(fù)雜性（「多者異也」）上的顯現(xiàn)[9]。

這是許多關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的入門(mén)教科書(shū)中可以找到的常見(jiàn)定義[10]?！杜＝蛘軐W(xué)指南》[11]將涌現(xiàn)屬性定義為不可預(yù)測(cè)和不可還原的：「一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的屬性被說(shuō)成是『涌現(xiàn)』的，是因?yàn)楸M管它是從表征較簡(jiǎn)單成分的屬性和關(guān)系中產(chǎn)生的，但它既不能從這些較低層次的特征中預(yù)測(cè)出來(lái)，也不能被還原成這些特征」。 

《劍橋哲學(xué)詞典》[12]對(duì)結(jié)構(gòu)和規(guī)律、描述性涌現(xiàn)和解釋性涌現(xiàn)進(jìn)行了區(qū)分。描述性涌現(xiàn)（Descriptive emergence）意味著「整體」（或更復(fù)雜的情形）的一些屬性不能通過(guò)「部分」（或更簡(jiǎn)單情形）的屬性來(lái)定義。解釋性涌現(xiàn)（Explanatory emergence）意味著「系統(tǒng)中更復(fù)雜情況的規(guī)律，不能通過(guò)任何構(gòu)成或共存規(guī)律從更簡(jiǎn)單或最簡(jiǎn)單情形中推導(dǎo)出來(lái)」。

《劍橋在線詞典》[13]說(shuō)，emerge「涌現(xiàn)」的意思是「通過(guò)從某物出來(lái)或從某物后面出來(lái)」或「抵達(dá)某段困難時(shí)期或經(jīng)歷的盡頭」，而 emergence 只是「出現(xiàn)的過(guò)程」。emergence 和 emerge 這兩個(gè)詞的拉丁詞源都是 emergere，意思是從水中升起，出現(xiàn)和到達(dá)。拉丁語(yǔ)動(dòng)詞 emergere 來(lái)自 e(x)「out」+ mergere「to dip, plunge into liquid, immerse, sink, overwhelm」（浸入、陷進(jìn)液體、浸沒(méi)、下沉、淹沒(méi)），即 to emerge 類(lèi)似于去合并相對(duì)立（opposite）的事物。Emergence 是由 emergere 的現(xiàn)在分詞 emergens 演變而來(lái)。merging（合并）意味著兩個(gè)獨(dú)立的事物的結(jié)合、沉浸和融合，而 emerging（涌現(xiàn)）則意味著對(duì)立的事物。

2.2  屬性和標(biāo)準(zhǔn)

解釋、還原、預(yù)測(cè)和因果關(guān)系等概念是深入理解涌現(xiàn)的核心[14] 。Francis Heylighen 據(jù)此提出了以下關(guān)于涌現(xiàn)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[15]：

• 所創(chuàng)建系統(tǒng)的多樣性（如涌現(xiàn)系統(tǒng)的可能狀態(tài)）；

• 外部影響的數(shù)量（在涌現(xiàn)過(guò)程中）；

• 維持系統(tǒng)身份的約束類(lèi)型（完全的或條件的）；

• 層次的數(shù)量，多層次的涌現(xiàn)（一個(gè)層次，兩個(gè)層次，或多個(gè)層次）。

不幸的是，這些屬性并非完全獨(dú)立：多層次的涌現(xiàn)過(guò)程肯定比單一層次還具有更高的多樣性。

3. 類(lèi)別和分類(lèi)

4. 新分類(lèi)法

4.1 新分類(lèi)法

本文的分類(lèi)法基于不同的反饋類(lèi)型、因果關(guān)系及效應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)，這與 Eppstein 對(duì)CA 的分類(lèi)完全吻合。因果性或因果效應(yīng)是所有形式和類(lèi)型涌現(xiàn)的自然秩序，因?yàn)樵蛲ǔＪ怯楷F(xiàn)中最不明確的一點(diǎn)：即涌現(xiàn)是一種原因不能被立刻看到或顯現(xiàn)的效果或事件。一個(gè)關(guān)于涌現(xiàn)過(guò)程的問(wèn)題總是一個(gè)因果關(guān)系或因果性問(wèn)題——為一個(gè)明顯的效果尋找一個(gè)隱藏的原因。不同類(lèi)型的涌現(xiàn)據(jù)此可以大致分成四種類(lèi)型或類(lèi)別：

• Type I 簡(jiǎn)單/名義涌現(xiàn)（Simple/Nominal），沒(méi)有下向反饋

• Type Ia：有意簡(jiǎn)單涌現(xiàn)（Intentional）

• Type Ib：無(wú)意簡(jiǎn)單涌現(xiàn)（Unintentional）

• Type II 弱涌現(xiàn)（Weak Emergence），包含下向反饋

• Type IIa 穩(wěn)態(tài)弱涌現(xiàn)（Stable）

• Type IIb 非穩(wěn)態(tài)弱涌現(xiàn)（Instable）

• Type III 多重涌現(xiàn)（Multiple Emergence），具有多重反饋

• Type IIIa：條紋、斑點(diǎn)、冒泡型 Stripes、Spots、Bubbling

• Type IIIb：隧穿（Tunneling）、自適應(yīng)型（Adaptive Emergence）

• Type IV 強(qiáng)涌現(xiàn)（Strong Emergence）

第I型（Type I）涌現(xiàn)完全不包含反饋，只有「前饋」關(guān)系（feedforward）[21]。第II型（Type II）的主要特征是簡(jiǎn)單的反饋：(a)正反饋或(b)負(fù)反饋。多重反饋、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)則對(duì)第III型（Type II）很重要。Holland 在談到適應(yīng)性系統(tǒng)中的涌現(xiàn)時(shí)說(shuō)，「任何對(duì)涌現(xiàn)的研究都必須嚴(yán)肅面對(duì)學(xué)習(xí)」[22]。第III型出現(xiàn)在有許多反饋循環(huán)的非常復(fù)雜的系統(tǒng)，或有智能主體的復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)中，它是在涌現(xiàn)過(guò)程中具有大量外部性影響的類(lèi)別（即 Heylighen 和 Bar-Yam 的系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系屬性中內(nèi)部性/外部性維度）。至于第IV型（Type IV）涌現(xiàn)，用 Heylighen[23]的話來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是多級(jí)涌現(xiàn)（multi-level）和所創(chuàng)造系統(tǒng)中的大量多樣性，即由于組合爆炸，涌現(xiàn)系統(tǒng)的可能狀態(tài)的數(shù)量都是天文數(shù)字。這是負(fù)責(zé)產(chǎn)生更高層次復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)形式，即使在原則上也不能還原為基本成分屬性和規(guī)律的直接影響。

Stephen Jones 用類(lèi)似的方法定義了一個(gè)全面的分類(lèi)法[24]。他用反饋關(guān)系提出了一個(gè)涌現(xiàn)的分類(lèi)法，并區(qū)分了涌現(xiàn)的一階（只有「前饋」關(guān)系）、二階（反饋關(guān)系）和三階（「協(xié)同反饋關(guān)系（mutualistic feedback ）」）形式。

 不幸的是，第三種分類(lèi)并不明確，幾乎包含了所有其它情況。此外，他的分類(lèi)法中似乎完全沒(méi)有強(qiáng)涌現(xiàn)。他還試圖運(yùn)用控制論中已知不同反饋形式來(lái)區(qū)分第II型涌現(xiàn)：在分類(lèi)法區(qū)分了帶錯(cuò)誤返回值的反饋（輸出在返回到輸入之前被過(guò)濾和限制）和不帶返回值的反饋（輸出純被返回到輸入）。這并非一個(gè)壞想法，但在涌現(xiàn)情況下其解釋力是值得懷疑的。

4.2 不同的視角

此外也可以從其他角度，例如從生成過(guò)程的約束或角色的角度來(lái)確定分類(lèi)：I型對(duì)應(yīng)于固定的角色，II型對(duì)應(yīng)于靈活的角色，III型對(duì)應(yīng)于新角色的出現(xiàn)和舊角色的消失，IV型對(duì)應(yīng)于一個(gè)開(kāi)啟全新世界的新角色。另一種可能的分類(lèi)是使用不同層次的預(yù)測(cè)性：I型的有意涌現(xiàn)是可預(yù)測(cè)的，II型的弱涌現(xiàn)原則上是可預(yù)測(cè)的（盡管并非每個(gè)細(xì)節(jié)），III型的多重涌現(xiàn)是混亂的或完全不可預(yù)測(cè)的，IV型的強(qiáng)涌現(xiàn)在原則上是不可預(yù)測(cè)的。

(表1：依據(jù)角色、常見(jiàn)程度和可預(yù)測(cè)性，不同類(lèi)型的涌現(xiàn)及對(duì)應(yīng)系統(tǒng)分類(lèi)）

所有類(lèi)型的共同要素是邊界、反饋或跳躍/躍遷。正如涌現(xiàn)這個(gè)名字所暗示的，某些東西的涌現(xiàn)總是有可能在一個(gè)系統(tǒng)的明確邊界出現(xiàn)，并且通常會(huì)發(fā)生跳躍或躍遷到一個(gè)新的層次。此外，幾乎所有有趣的涌現(xiàn)類(lèi)型都涉及某種形式的反饋和一個(gè)或多個(gè)反饋回路：如Ib型中的尺度保持反饋（點(diǎn)-點(diǎn)），II型中的尺度交叉反饋（上-下），以及另外類(lèi)型的多重反饋。

(表2：依據(jù)邊界、反饋和躍遷類(lèi)型，不同復(fù)雜性類(lèi)型的涌現(xiàn)分類(lèi)）

5. 例子

5.1 第I型：沒(méi)有自上而下反饋的簡(jiǎn)單涌現(xiàn)

5.1 a）簡(jiǎn)單有意/名義性涌現(xiàn)

Ia型中唯一被約束的生成角色、或自上而下的過(guò)程是對(duì)機(jī)器的有意設(shè)計(jì)：一種特定、固定的角色被分配到每個(gè)單元，并且角色作用在時(shí)間中不會(huì)改變。因此每個(gè)部分的行為總是相同的，與其它部分的狀態(tài)、系統(tǒng)的整體狀態(tài)和環(huán)境無(wú)關(guān)。具有Ia型涌現(xiàn)的復(fù)雜性或設(shè)計(jì)的機(jī)器功能，是單個(gè)零件和組件計(jì)劃受控下交互的有意涌現(xiàn)屬性： 

• 一臺(tái)機(jī)器的功能是其組件的涌現(xiàn)屬性；

• 一個(gè)軟件系統(tǒng)的功能是底層代碼的涌現(xiàn)屬性；

• 一個(gè)句子的語(yǔ)義信息是句子中聲音和單詞的涌現(xiàn)屬性，且取決于它們的排列方式。

(圖4：鐘表、包括復(fù)雜的機(jī)器是被設(shè)計(jì)出的簡(jiǎn)單有意涌現(xiàn)）

在復(fù)雜系統(tǒng)中涌現(xiàn)的典型情況是，新的角色被分配給主體和行動(dòng)者。在這種類(lèi)型中，不允許有其它形式的角色分配。一個(gè)典型角色的例子是在蟻群中覓食時(shí)的「探索者」與「跟隨者」或 「運(yùn)輸者」。在計(jì)算機(jī)程序或復(fù)雜系統(tǒng)中，每一個(gè)組件和對(duì)象都是某種定義好的角色，并受到明確理解規(guī)則的約束。手表齒輪在手表中當(dāng)然具有以前沒(méi)有的角色，但一旦它們被內(nèi)置，這些作用就不會(huì)再改變。 

如果每個(gè)部分的行為都獨(dú)立于其它部分的狀態(tài)，那么機(jī)器的行為就是確定的和可預(yù)測(cè)的：按照 Ashby[25]的說(shuō)法，這樣的系統(tǒng)是「自組織」的，因?yàn)樗鼜摹覆考蛛x」變?yōu)?「部件結(jié)合」。Ia型涌現(xiàn)的典型是普通機(jī)器的，例如鐘表或蒸汽機(jī)。Ashby 對(duì)機(jī)器的定義如下：

「機(jī)器」是指以類(lèi)似機(jī)械方式行事的東西，即它的內(nèi)部狀態(tài)和周?chē)h(huán)境狀態(tài)唯一地定義了它將進(jìn)入的下一個(gè)狀態(tài) [25]。

名義或有意這種形式的涌現(xiàn)對(duì)人并不陌生。它已經(jīng)被使用了好幾個(gè)世紀(jì)。例如人們有某種意圖、目的或計(jì)劃創(chuàng)造這樣一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和改變，直到從零件和部件的組裝中出現(xiàn)的功能與這個(gè)單一目的完全吻合。

然而，正如我們?cè)诰哂型耆陨隙驴刂频拇笮拖到y(tǒng)（例如命令下的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)）中所觀察到的那樣，有意涌現(xiàn)總會(huì)有缺點(diǎn)。 具有Ia型涌現(xiàn)系統(tǒng)的一個(gè)典型缺點(diǎn)是脆弱性，或缺乏靈活適應(yīng)性。定義明確、有計(jì)劃的對(duì)象是100%可靠、并總是盡職盡責(zé)履行義務(wù)的，但如果沒(méi)有冗余組件，一個(gè)部件的缺陷就可能會(huì)致使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

5.1 b)  簡(jiǎn)單的無(wú)意涌現(xiàn)

大量相同粒子的統(tǒng)計(jì)量和宏觀屬性是未被注意的Ib型涌現(xiàn)例子（如果它們和粒子之間的關(guān)系有依賴(lài)）：

• 熱力學(xué)屬性，如壓力、體積、溫度；

• 特征路徑長(zhǎng)度和網(wǎng)絡(luò)中的聚類(lèi)系數(shù)；

• 涌現(xiàn)的物理屬性，如雪崩、波陣面（wave-front）或沙堆的坡度。

Ib型涌現(xiàn)出現(xiàn)在一類(lèi)有許多松散耦合、無(wú)組織和平等元素組成的系統(tǒng)中，它擁有諸如溫度或壓力之類(lèi)的某些平均屬性。它勉強(qiáng)可以被稱(chēng)為涌現(xiàn)，是因?yàn)?strong>把大量個(gè)體的屬性描述為了一個(gè)平均屬性總和。平均量本身并非一種涌現(xiàn)的特征，然而如果它們和粒子之間的關(guān)系有依賴(lài)，定義聚合體屬性的統(tǒng)計(jì)量則可以被視為簡(jiǎn)單的涌現(xiàn)特性，雖然這時(shí)它們對(duì)單個(gè)粒子而言沒(méi)有意義。像壓力這樣的量不能應(yīng)用于單個(gè)粒子，單個(gè)沙粒沒(méi)有坡度可言，網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)也沒(méi)有路徑長(zhǎng)度。

 (圖5：水的宏觀特征和物理屬性是簡(jiǎn)單的無(wú)意涌現(xiàn)）

大多數(shù)平均量只是應(yīng)用于每塊屬性的平均數(shù)（例如計(jì)算機(jī)科學(xué)博士的平均工資），不是Ib型涌現(xiàn)的例子，因?yàn)樗鼈冞`反了一個(gè)屬性只有在適用于整體而非部分時(shí)才是涌現(xiàn)的觀念。（譯注：這意味著只有在沒(méi)有平均標(biāo)度的冪律現(xiàn)象或分形中才有涌現(xiàn)，相對(duì)正態(tài)或平均分布則沒(méi)有）即使沒(méi)有自上而下的反饋，在主體或粒子尺度上也可以有類(lèi)似連鎖反應(yīng)或多米諾效應(yīng)的簡(jiǎn)單反饋：一個(gè)粒子被激發(fā)，影響到一個(gè)新的粒子，然后一個(gè)新的粒子再被激發(fā)……。這種簡(jiǎn)單的尺度保持（點(diǎn)-點(diǎn)）形式反饋導(dǎo)致了波浪、連鎖反應(yīng)、級(jí)聯(lián)和雪崩等等發(fā)生。

（圖6：沒(méi)有自上而下反饋、由粒子激發(fā)形成的簡(jiǎn)單涌現(xiàn)）

5.2 第II型：包括自上而下反饋的弱涌現(xiàn)

第II型涌現(xiàn)包括從宏觀到微觀層面的自上而下反饋。例如考慮一個(gè)我們可以確定各種空間分辨率層次（主體-群體、實(shí)體-系統(tǒng)、個(gè)體-群落、粒子-集群……）的多體系統(tǒng)（Multi Agent System）。在主體極微觀層面上，許多單個(gè)個(gè)體或?qū)嶓w在局部相互作用。這種互動(dòng)導(dǎo)致更高的層次上出現(xiàn)了一種新型、通常是不可預(yù)測(cè)的模式。在群體或整個(gè)系統(tǒng)宏觀水平上，所謂涌現(xiàn)現(xiàn)象——我們所發(fā)現(xiàn)未預(yù)料到的模式、結(jié)構(gòu)或?qū)傩?，它們?cè)谙嗷プ饔靡?guī)律中并沒(méi)有直接規(guī)定，但反過(guò)來(lái)卻會(huì)通過(guò)反饋過(guò)程影響實(shí)體低層次間相互作用。

（圖7：魚(yú)群是一種存在自上而下反饋的涌現(xiàn)）

例如，魚(yú)群是一個(gè)影響每只參與動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的涌現(xiàn)屬性。它可以用第二類(lèi)涌現(xiàn)，即弱涌現(xiàn)來(lái)解釋和描述。M.A. Bedau 對(duì)弱涌現(xiàn)的定義如下：如果一個(gè)宏觀狀態(tài)或?qū)傩灾荒軓奈⒂^動(dòng)態(tài)通過(guò)模擬得到，那么它就是弱涌現(xiàn)的[26]。在弱涌現(xiàn)中，不像簡(jiǎn)單形式的名義涌現(xiàn)或意向涌現(xiàn)那樣，只存在微觀和宏觀層次的唯一因果方向，它在兩個(gè)方向上都有因果關(guān)系。

有兩種基本的互動(dòng)形式會(huì)導(dǎo)致弱涌現(xiàn)[27]：

（圖8：弱涌現(xiàn)形成的交互模式）

直接交互（Direct Interaction）：系統(tǒng)中的主體或?qū)嶓w直接相互作用，導(dǎo)致群體和集群的形成，再反過(guò)來(lái)影響主體或?qū)嶓w本身的行為。只有在主體能夠區(qū)分不同尺度的情況下，這種反饋才有可能，例如，微觀物體有排斥作用，宏觀物體有吸引作用。這同樣發(fā)生在前面提到的結(jié)群技巧中，如蜂群、鳥(niǎo)群、哺乳動(dòng)物群、魚(yú)群或狼群。

間接交互（Indirect Interaction）。系統(tǒng)的主體或?qū)嶓w通過(guò)他們各自的行為改變整個(gè)系統(tǒng)和環(huán)境的狀態(tài)，環(huán)境的變化再反過(guò)來(lái)影響主體或?qū)嶓w的行為。

如果主體能夠通過(guò)具有全局性和持久性影響的長(zhǎng)期局部變化來(lái)操縱環(huán)境，如前面提到的信息素技巧（用費(fèi)洛蒙場(chǎng)標(biāo)記感興趣的物品），或者如果它們幾乎同步行動(dòng)，從而使單個(gè)行動(dòng)的效果成倍增加，那么間接反饋也是可能的。自然系統(tǒng)中的例子是螞蟻群和成堆的白蟻，在社會(huì)系統(tǒng)中則是人口遷移過(guò)程。

當(dāng)然，也有兩種形式的混合體。在第一種情況下，通過(guò)直接互動(dòng)產(chǎn)生的群體和集群可以影響環(huán)境的狀態(tài)。在第二種情況下，通過(guò)環(huán)境的間接反饋往往導(dǎo)致群體形成的強(qiáng)化，特別是在具有同步行動(dòng)的社會(huì)儀式中，將一個(gè)群體人為一體。

除了直接和間接形式的互動(dòng)和反饋外，根據(jù)兩種不同類(lèi)型的可能反饋，還有兩種不同類(lèi)型的弱出現(xiàn)：消極或阻尼反饋導(dǎo)致穩(wěn)定形式的弱涌現(xiàn)，以及積極或放大反饋導(dǎo)致的不穩(wěn)定形式，如短暫的流行、泡沫和嗡嗡聲。

（圖9：動(dòng)物遷徙是一種和環(huán)境之間的間接交互）

5.2 a) 弱涌現(xiàn)（穩(wěn)定的）

這種反饋通常是負(fù)向的，對(duì)主體的行動(dòng)施加約束。IIa型的弱無(wú)意涌現(xiàn)是一種經(jīng)典的涌現(xiàn)形式，它包括了自下而上的影響和自上而下的群體或環(huán)境的反饋。它和群體智能、群體形成和共識(shí)主動(dòng)性（stigmergy）有關(guān)，也與前面提到的結(jié)群和信息素技巧有關(guān)。例如：

• 螞蟻的覓食行為；

• 魚(yú)和鳥(niǎo)的成群行為；

• 液體或流體是分子形式的自組織涌現(xiàn)屬性；

• 互聯(lián)網(wǎng)中的自組織形式，例如萬(wàn)維網(wǎng)和 WIKIPEDIA，Linux 和 Mozilla等開(kāi)源項(xiàng)目；

• 根據(jù)供需定律，商品在經(jīng)濟(jì)和自由市場(chǎng)中的最優(yōu)價(jià)格。

（圖10：穩(wěn)定的弱涌現(xiàn)，自下而上正反饋與自上而下負(fù)反饋的平衡）

在穩(wěn)定的弱涌現(xiàn)形式中，一面是探索、多樣性和隨機(jī)性（自下而上影響），一面是利用、統(tǒng)一性和秩序（自上而下約束），兩者之間存在著平衡。IIa型的涌現(xiàn)基于兩個(gè)層次：它們被一對(duì)自下而上和自上而下的互補(bǔ)過(guò)程所連接。

多樣性和「探索」產(chǎn)生于「創(chuàng)造性」的自下而上的過(guò)程，這源自各組成部分的自主性和彼此的獨(dú)特背景。統(tǒng)一性和「利用」產(chǎn)生于「約束性」的自上而下反饋過(guò)程，它對(duì)組成部分或主體施加了約束——類(lèi)似于「同儕壓力」，迫使他們調(diào)整自己的行為或成為某種角色。我們?cè)谝粋€(gè)具有涌現(xiàn)特性的系統(tǒng)中觀察到的復(fù)雜組織形式，是由于多樣性和統(tǒng)一性、探索和利用、「創(chuàng)造性 」的自下而上的過(guò)程和 「約束性」的自上而下的反饋的平衡。蟻群中的螞蟻由于不同的個(gè)體環(huán)境和隨機(jī)影響探索各個(gè)方向。然而它們卻有一個(gè)集體目標(biāo)，并被迫遵循自己的信息素軌跡。鳥(niǎo)群中的鳥(niǎo)兒向不同的方向飛去，以避免碰撞，但同時(shí)又緊緊地靠在一起，試圖與鄰居的速度相匹配，并轉(zhuǎn)向所認(rèn)為鳥(niǎo)群的中心。

萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）反映了世界人口的巨大多樣性。正如 Flake等人所說(shuō)，「數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的個(gè)體獨(dú)立運(yùn)作，擁有不同的背景、知識(shí)、目標(biāo)和文化，他們?cè)诰W(wǎng)上發(fā)布信息」 [28]。這種多樣性被W3C和其它聯(lián)盟（HTML、HTTP等）的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和約束所平衡。

（圖11：同質(zhì)化的「死魚(yú)」無(wú)法形成魚(yú)群只能隨波逐流）

正如 Linux、Mozilla 和 Firefox 瀏覽器、WIKIPEDIA 以及世界各地?zé)o數(shù)其它開(kāi)放和自由合作項(xiàng)目持續(xù)成功所顯示的那樣，這種形式的自組織可以非常強(qiáng)大。WIKIPEDIA 依靠的是其參與者和貢獻(xiàn)者的多樣性。如果它由一支克隆大軍創(chuàng)建，每個(gè)參與者都與同行完全相同，那么它就不會(huì)成功。此外，還有一種統(tǒng)一的力量能讓其保持統(tǒng)一性：每個(gè)參與者都使用相同的簡(jiǎn)單編輯器，遵守相同的簡(jiǎn)單規(guī)則。

 （圖12：在遵循相同簡(jiǎn)單規(guī)則下，維基百科是多樣化自組織共創(chuàng)的典范）

在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自由市場(chǎng)中，商品的最佳定價(jià)涌現(xiàn)自遵守當(dāng)?shù)厣虡I(yè)規(guī)則和供需定律的主體間互動(dòng)。它基于負(fù)向穩(wěn)定的反饋：高需求或資源供應(yīng)不足導(dǎo)致高價(jià)格，高價(jià)格反過(guò)來(lái)減少需求，增加資源。低需求或資源供應(yīng)過(guò)剩導(dǎo)致低價(jià)格，低價(jià)格反過(guò)來(lái)增加需求，減少資源。因此，需求是通過(guò)負(fù)反饋來(lái)改變的，直到達(dá)到部分平衡。供需定律假定市場(chǎng)是完全競(jìng)爭(zhēng)的（沒(méi)有行動(dòng)者有足夠力量能直接影響價(jià)格），且主體的行為是理性的，但情況并非總是如此。一個(gè)只模仿別人的人行為就不是理性的，即他的行為不是最優(yōu)的。例如，他將支付一個(gè)并不充分或適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品價(jià)格。

（圖13：自由貿(mào)易帶來(lái)了全球經(jīng)濟(jì)的繁榮）

5.2 b) 弱涌現(xiàn)（非穩(wěn)態(tài)）

 反饋也可以是正向的。吸毒成癮或經(jīng)濟(jì)通貨膨脹就是正反饋的（負(fù)面）例子：高工資導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格高，高價(jià)格增加生活成本，高生活成本增加工資。在毒癮中，高劑量會(huì)激活大腦的獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)并導(dǎo)致重復(fù)消費(fèi)，重復(fù)消費(fèi)導(dǎo)致習(xí)慣化，從而改變獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)并導(dǎo)致更高的劑量。

眾所周知，模仿是影響流行、時(shí)尚周期和突然的集體意見(jiàn)轉(zhuǎn)變的主要因素之一[29]，我們的決定經(jīng)常是基于他人的行為。在我們必須決定一些重要的事情（在金融市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)股票等）之前，我們經(jīng)?？磩e人在做什么，我們模仿別人。然而，其他人也有可能做同樣的事情，而且也并不知道真正該怎么做。

當(dāng)每個(gè)人都試圖根據(jù)別人的行動(dòng)來(lái)做決定時(shí)，集體就可能無(wú)法正確聚合信息，導(dǎo)致正反饋回路和相互強(qiáng)化出現(xiàn)。例如短暫的時(shí)尚：如果一件商品經(jīng)常被購(gòu)買(mǎi)，它就被認(rèn)為是有價(jià)值的，如果是有價(jià)值的，就會(huì)導(dǎo)致許多消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)——如果人們只看到別人在做什么。如果在這種情況下分布式?jīng)Q策失敗，那么偏離平衡的一點(diǎn)小波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致巨大和夸張的影響：嗡嗡聲、泡沫和短暫的時(shí)尚，或者級(jí)聯(lián)和快速增長(zhǎng)的雪崩。

• 股票市場(chǎng)和金融市場(chǎng)的泡沫和崩潰；

• 文化市場(chǎng)的時(shí)尚、狂熱和扭曲分布；

• 社會(huì)動(dòng)蕩的突然爆發(fā)（如東德、印度尼西亞、塞爾維亞）；

• 前穩(wěn)定的社會(huì)規(guī)范的變化；

• 從眾效應(yīng)；

• 名人效應(yīng)（主要因名人而變眾所周知）；

• 新聞中的嗡嗡聲；

• 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)遷移中集群形成（猶太社區(qū)、貧民窟）；

• 鎖定狀態(tài)的路徑依賴(lài)演變：錄像機(jī)/鍵盤(pán)/電腦/操作系統(tǒng)市場(chǎng)。

（圖14：非穩(wěn)定的弱涌現(xiàn)，上下之間進(jìn)入了不受抑制趨于崩潰的正反饋循環(huán)）

潮流追隨者（trend follower）只是模仿別人，而非真正去評(píng)估事物的價(jià)值。他失去了與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系，就像最后終將跟隨的泡沫一樣——如果所有其他人也這么做的話。

IIb 型涌現(xiàn)是一種通過(guò)正反饋產(chǎn)生的不受歡迎的負(fù)面涌現(xiàn)，直到泡沫因指數(shù)增長(zhǎng)而爆炸或消失。爆發(fā)階段的代價(jià)是隨后倦怠階段：金融泡沫破裂并以崩潰告終，文化時(shí)尚以過(guò)度飽和告終，政治革命以政治冷漠告終。

新聞中某些令人不悅的嗡嗡聲，類(lèi)似于股市泡沫中曇花一現(xiàn)的涌現(xiàn)。正如 Steven Johnson 在他的著作《Emergence》[30] 中所提到那樣，媒體總有自我放大的傾向。討論某些事情是否應(yīng)該在媒體上報(bào)道（例如，關(guān)于O.J.辛普森、比爾·克林頓或戴安娜王妃之死的報(bào)道，如果媒體本身參與了此案）本身就是一種自報(bào)道，并導(dǎo)致正反饋：自報(bào)道會(huì)導(dǎo)致某事件的報(bào)道獲得更多的報(bào)道，而一個(gè)故事如果被頻繁報(bào)道，又會(huì)被認(rèn)為是重要的。

電視臺(tái)播放什么節(jié)目的決定經(jīng)常基于同行的行為，他們經(jīng)?？雌渌娨暸_(tái)在做什么。當(dāng)每個(gè)人都想根據(jù)別人的行動(dòng)來(lái)做決定時(shí)，集體就可能無(wú)法正確匯總信息，分布式?jīng)Q策也不再起作用。

級(jí)聯(lián)的可能性當(dāng)然是由基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)決定的。復(fù)雜的無(wú)標(biāo)度或小世界網(wǎng)絡(luò)特別容易發(fā)生級(jí)聯(lián)，一方面因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間相互分離只存在少數(shù)連接，信息級(jí)聯(lián)可以快速傳播。另一方面，這樣的網(wǎng)絡(luò)平均連接度很低，遠(yuǎn)低于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)量，因此存在許多容易受影響的個(gè)體。

容易受影響的個(gè)體并不是連接最多的個(gè)體或意見(jiàn)領(lǐng)袖。因此，由于集體決策，無(wú)標(biāo)度或小世界網(wǎng)絡(luò)特別容易受到級(jí)聯(lián)的影響。經(jīng)濟(jì)和社會(huì)遷移（高科技地區(qū)、貧民窟、貧民區(qū)）中的集群形成是另一個(gè)正反饋的例子。好的地點(diǎn)吸引了有趣的公司，而有趣的公司使地點(diǎn)變得更好。這是導(dǎo)致班加羅爾或硅谷等經(jīng)濟(jì)集群和高科技區(qū)出現(xiàn)的因素之一。相反， 一個(gè)地區(qū)的生活條件差（暴力增加，使用武器和毒品），導(dǎo)致中產(chǎn)階級(jí)的遷移，中產(chǎn)階級(jí)的遷移又會(huì)使情況加劇惡化，這導(dǎo)致了貧民窟和貧民區(qū)的形成。

 這種正反饋過(guò)程在經(jīng)濟(jì)中也被稱(chēng)為 「收益遞增」（increasing returns）。

布萊恩·阿瑟（W. Brian Arthur）[31]很好地說(shuō)明了經(jīng)濟(jì)中的正反饋和收益遞增的概念。VHS磁帶、IBM個(gè)人電腦、QWERTY鍵盤(pán)、DOS 和 Microsoft Windows 通過(guò)相同路徑依賴(lài)的正反饋過(guò)程完全占領(lǐng)了整個(gè)市場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程的路徑依賴(lài)性在于，一開(kāi)始的小波動(dòng)或意外可以通過(guò)正反饋過(guò)程被強(qiáng)化為大的、不可預(yù)測(cè)的偏差（unpredictable deviations），直到它們最終被長(zhǎng)期保存在由此產(chǎn)生的冷凍鎖定狀態(tài)中，在這種狀態(tài)下，一種產(chǎn)品主導(dǎo)并分配了整個(gè)市場(chǎng)（例如，德語(yǔ)鍵盤(pán)用 Z 替換 Y，它們讀取 QWERTZ 而不是 QWERTY）。正反饋和自我強(qiáng)化機(jī)制的原因又是模仿：「我需要VHS/IBM PC/DOS/Windows產(chǎn)品，因?yàn)槠渌硕假?gòu)買(mǎi)/擁有/使用它」。

模仿有用的正反饋，若要可持續(xù)存在的，往往需要在兼容性和數(shù)據(jù)交換非常重要，且獲取、安裝和學(xué)習(xí)使用新技術(shù)成本很高的市場(chǎng)中。正如布萊恩·阿瑟所指出那樣[32]，「在經(jīng)濟(jì)中以資源為基礎(chǔ)的部分（如農(nóng)業(yè)、大宗商品生產(chǎn)、采礦）在很大程度上受到收益遞減的影響（穩(wěn)定的負(fù)反饋）」，另一方面以知識(shí)為基礎(chǔ)的部分在則往往受到收益遞增（正反饋）的影響」。

5.3 第III型：有大量反饋的多重涌現(xiàn)

5.3 a) 條紋、斑點(diǎn)、氣泡——多重反饋的涌現(xiàn)

真實(shí)的金融或股票市場(chǎng)，以及自然界中許多斑圖的生成過(guò)程，既不顯示出純粹的第IIa型，也非IIb型行為，而是往往基于二者結(jié)合。其實(shí)短程激活（short-range activation，正反饋），加上長(zhǎng)程抑制（long-range inhibition，負(fù)反饋），可以導(dǎo)致許多模式形成的想法并不新鮮。在化學(xué)反應(yīng)的背景下，阿蘭·圖靈（Alan Turing）早在1952年就發(fā)表了一個(gè)類(lèi)似的想法[33]。今天，具有短程正反饋和長(zhǎng)程負(fù)反饋的系統(tǒng)被稱(chēng)為「激活-抑制劑」（activator-inhibitor）系統(tǒng)，屬于「反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)」（Reaction-diffusion）的一種。

（圖15：斑馬的斑圖）

在反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)中，激活劑「自動(dòng)」催化其自身的生產(chǎn)，同時(shí)激活抑制劑，但后者擴(kuò)散得速度更快。對(duì)短程而言，正反饋占上風(fēng)，對(duì)于長(zhǎng)程距離，負(fù)反饋占上風(fēng)。這類(lèi)系統(tǒng)能導(dǎo)致許多類(lèi)型的生物斑圖的生成[34]。

（圖16：反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)模擬斑馬的斑圖）

這個(gè)過(guò)程也可以用簡(jiǎn)單的元胞自動(dòng)機(jī)來(lái)模擬。例如，通過(guò)規(guī)則「算出某方格白色直接近鄰的數(shù)量，減去其20x20左右方塊內(nèi)白色近鄰數(shù)量的1/10。如果總和大于1，則該單元格變成白色，否則變成黑色」[35]。他們的進(jìn)化游戲只包括兩種玩家：那些總是合作的玩家和那些總是叛變的玩家。每個(gè)格子的位置都由一個(gè)玩家占據(jù)。在每一輪中，玩家與他們的近鄰進(jìn)行囚徒困境游戲，玩家的分?jǐn)?shù)是這些遭遇中的報(bào)酬之和。在這一輪（或一代）結(jié)束時(shí)，每個(gè)格子的位置由前一個(gè)主人和鄰居中得分最高的玩家占據(jù)。其結(jié)果是，「叛逃者」和「作弊者」（紅色）的網(wǎng)絡(luò)在合作者（藍(lán)色）的海洋中出現(xiàn)了。合作者相互支持和加強(qiáng)，但如果合作者的集群增長(zhǎng)過(guò)大，叛逃者的條件就會(huì)越來(lái)越好：利用合作者的紅色作弊者擴(kuò)散并限制藍(lán)色集群的規(guī)模。 

（圖17：元胞自動(dòng)機(jī)模擬斑馬的斑圖）

真實(shí)的金融或股票市場(chǎng)往往表現(xiàn)出混亂和不可預(yù)測(cè)的行為，產(chǎn)生分形和多重分形結(jié)構(gòu)，有運(yùn)轉(zhuǎn)著不可預(yù)測(cè)的連續(xù)損失和崩潰，但也有各種規(guī)模的重復(fù)投機(jī)泡沫，例如，見(jiàn)[36]。像股票市場(chǎng)這樣既有正反饋機(jī)制又有負(fù)反饋機(jī)制的系統(tǒng)可以表現(xiàn)出振蕩和混亂的行為。

我們經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)短期正反饋（盲目模仿）和長(zhǎng)期負(fù)反饋（仔細(xì)考慮）的結(jié)合。當(dāng)股票上漲時(shí)，相信進(jìn)一步上漲是可能的，于是給投資者、模仿者和趨勢(shì)追隨者帶來(lái)了購(gòu)買(mǎi)的動(dòng)力，這將使價(jià)格上漲得更多（正反饋）；但當(dāng)股票價(jià)格終于上漲，人們知道最終一定會(huì)有一個(gè)高峰后，市場(chǎng)預(yù)期就會(huì)下跌、價(jià)格會(huì)下降，最終阻止了買(mǎi)家購(gòu)入（負(fù)反饋）。股票下跌的過(guò)程也類(lèi)似。一旦市場(chǎng)開(kāi)始有規(guī)律地下跌，一些投資者可能會(huì)預(yù)期會(huì)進(jìn)一步下跌而不去購(gòu)買(mǎi)（正反饋），但其他人可能會(huì)購(gòu)買(mǎi)，因?yàn)楣善弊兊迷絹?lái)越便宜了（負(fù)反饋）。短期正反饋和長(zhǎng)期負(fù)反饋的結(jié)合導(dǎo)致了「泡沫化」，波動(dòng)或動(dòng)蕩的泡沫序列。各種大小短期泡沫的出現(xiàn)，升起和擴(kuò)大，就像它們?cè)俅蜗б粯友杆?。一個(gè)氣泡觸發(fā)自某種波動(dòng)或不規(guī)則，它通過(guò)正反饋擴(kuò)大，通過(guò)負(fù)反饋再次縮小。這種起泡行為的一個(gè)很好的模型是元胞自動(dòng)機(jī)的「更大生命」（Larger than Life），它是康威生命游戲的更大半徑的擴(kuò)展版?？低纳螒蚨x很簡(jiǎn)單：如果 x 的領(lǐng)域人口數(shù)等于3，則在格點(diǎn)處發(fā)生「出生」。即如果計(jì)數(shù)在 [2…3] 中，則點(diǎn) x 保持占用/活著狀態(tài)?！父笊怪械摹赶x(chóng)子」（Bugs）規(guī)則非常類(lèi)似：如果其鄰域內(nèi)的人口（包括或不包括 x）位于區(qū)間 [34.…45]（正反饋），則在 x 處出生；如果計(jì)數(shù)在 [34…58] 中，點(diǎn) x 保持被占用（由于孤獨(dú)和人口過(guò)多，極小和極大值的負(fù)反饋）。下面顯示了使用來(lái)自 Mirek Wójtowicz 的 CA 模擬器 MJCell 制作的一系列氣泡截屏：

（圖18：基于元胞自動(dòng)機(jī)「更大生命」游戲）

IIIa類(lèi)也包含了通?！干螒颉沟乃心Ｊ剑盒盘?hào)燈（Blinkers）、滑翔機(jī)（Gliders）、飛船（Spaceships）等。在約翰·康威（John Conway）通常的「生命游戲」中，除了普通的滑翔機(jī)——最基本的「宇宙飛船」外，還有各種不同大小的宇宙飛船，有輕量級(jí)、中量級(jí)和重量級(jí)。宇宙飛船以光速移動(dòng)，例如每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)走一個(gè)像素或單位。

（圖19：生命游戲中的更大規(guī)模的飛船）

這些飛船看起來(lái)都很相似，由共軛的正負(fù)反饋反復(fù)收縮和擴(kuò)張（除了在對(duì)角線方向上行駛的滑翔機(jī)），它們通過(guò)相同的機(jī)制進(jìn)行垂直或水平方向傳播。這種機(jī)制像是在重復(fù)地冒泡，飛船的形式可以被看作是一個(gè)膨脹和收縮的泡沫的邊界。

（圖20：生命游戲中的飛船傳播）

5.3 b) 隧穿——具有多重反饋的適應(yīng)性出現(xiàn)

復(fù)雜性緩慢或突然發(fā)生的原因有很多。如果某樣?xùn)|西出現(xiàn)得非常迅速或突然，那么它之前往往被某種障礙或屏障所阻擋了，例如，某種堵塞物、某種教條，一個(gè)屏障或一個(gè)系統(tǒng)邊界。一個(gè)大的生態(tài)系統(tǒng)由成千上萬(wàn)的物種及其相應(yīng)的生態(tài)位和棲息地組成，其中許多物種相互影響。它通常由許多不同的植物、動(dòng)物和各種微生物（如細(xì)菌）組成，它們被一個(gè)非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)。如果我們把像地球這樣的全球生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮，可以注意到許多類(lèi)型的反饋和限制，它們共同構(gòu)成了一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。正如我們地球的歷史所顯示，這樣一個(gè)系統(tǒng)的演變當(dāng)然不是一個(gè)線性的、平滑的和連續(xù)的過(guò)程。它的特點(diǎn)是突然的、不穩(wěn)定的變化和復(fù)雜性的躍遷。

生命形式中不同層次的復(fù)雜性和組織與進(jìn)化轉(zhuǎn)變有關(guān) [37]。進(jìn)化轉(zhuǎn)變刻畫(huà)了大適應(yīng)度鴻溝（fitness gaps）和適應(yīng)度屏障（fitness barriers）的交叉。突然、不穩(wěn)定的變化和復(fù)雜性的躍遷是不穩(wěn)定的適應(yīng)度景觀和屏障的結(jié)果。進(jìn)化等待著，直到像大規(guī)模災(zāi)難這樣的重大事件打破并減少這些適應(yīng)度屏障，或者主體有能力隧道穿它們。如果環(huán)境中的災(zāi)難挑戰(zhàn)突然急劇增加，加速系統(tǒng)向更高形式的復(fù)雜性過(guò)渡，則災(zāi)難將起到催化劑的作用。通過(guò)復(fù)雜性的借用可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)度屏障的隧穿，類(lèi)似于量子理論中隧穿過(guò)程（tunnelling process）中能量的借用，參見(jiàn) [38] 的第 5.2 和 5.3 章。

適應(yīng)性和進(jìn)化系統(tǒng)中這種形式的出現(xiàn)與環(huán)境中的（大規(guī)模）滅絕和戲劇性或?yàn)?zāi)難性事件直接相關(guān)。自然系統(tǒng)中的災(zāi)難性事件可以是彗星或小行星撞擊、火山、地震、冰期、干旱或洪水。如果存在不可預(yù)測(cè)、既不太常見(jiàn)也不太罕見(jiàn)的災(zāi)難性事件或波動(dòng)，那么這些災(zāi)難可以促進(jìn)進(jìn)化和加速適應(yīng)。因此，這種涌現(xiàn)形式可以稱(chēng)為適應(yīng)性涌現(xiàn)。它是 IIIb 型涌現(xiàn)的一個(gè)例子，出現(xiàn)在具有多重反饋和許多約束生成過(guò)程的復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng) (CAS) 中。它與全新角色的出現(xiàn)以及已經(jīng)存在的「生態(tài)」生態(tài)位的巨大變化有關(guān)。

IIIb型涌現(xiàn)也是突發(fā)的科學(xué)與心智革命的原因。在 「心智革命」之前，通常存在一種對(duì)新行動(dòng)或見(jiàn)解的精神障礙——意義上的不協(xié)調(diào)感或抑制行動(dòng)的無(wú)意識(shí)審查。對(duì)人類(lèi)或主體代理來(lái)說(shuō)，每一個(gè)新情況都是一個(gè)認(rèn)知上的難題或問(wèn)題。如果它不能通過(guò)思考和推理得到解決，它就有可能變成一場(chǎng)災(zāi)難。因此，每一個(gè)心理障礙就像一個(gè)小的認(rèn)知災(zāi)難，如果障礙突然被克服，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的見(jiàn)解和雪崩式的神經(jīng)活動(dòng)（或大笑）。同樣的觀點(diǎn)也適用于托馬斯·庫(kù)恩提出的科學(xué)革命：會(huì)有一種障礙（通常是由舊理論約束造成的）阻止新理論的發(fā)現(xiàn)，直到這個(gè)障礙被一種新范式所克服，從而導(dǎo)致科學(xué)活動(dòng)和出版物的雪球式發(fā)展，見(jiàn)[38]第6.2章。

（圖21：隧穿，具有多重反饋的CAS突破適應(yīng)度挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性躍遷的幾種模式）

5.4 第IV型：強(qiáng)涌現(xiàn)性和隨附性

強(qiáng)涌現(xiàn)可以被定義為在更高層次的組織或復(fù)雜性上出現(xiàn)的涌現(xiàn)性結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)擁有真正的新特性，即使在原則上也不能還原為基本部分和組件的屬性和規(guī)律的累積效應(yīng)。例如生命是基因、遺傳密碼與核酸/氨基酸的強(qiáng)涌現(xiàn)屬性，總體而言文化則是模因（memes）、語(yǔ)言和書(shū)寫(xiě)系統(tǒng)的強(qiáng)涌現(xiàn)屬性。與某些哲學(xué)理論相反，這種定義下的強(qiáng)涌現(xiàn)不一定要違反任何物理定律。強(qiáng)涌現(xiàn)一詞有時(shí)會(huì)被用來(lái)描述魔法、不科學(xué)或超自然的過(guò)程，這顯然是一個(gè)必須加以糾正錯(cuò)誤的觀念。

強(qiáng)涌現(xiàn)所描述的過(guò)程不是魔法的、不科學(xué)或反科學(xué)的，只有多尺度的非常復(fù)雜的現(xiàn)象，并沒(méi)有魔法或超自然的力量參與其中。像其它形式的涌現(xiàn)一樣，如果你不了解內(nèi)在過(guò)程，它可能看起來(lái)很神奇。如果你從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)DNA和基因，那么生命看起來(lái)實(shí)際上是神奇的。現(xiàn)在有種觀念，生命不能僅僅用物理過(guò)程來(lái)解釋（Vitalism，「生命主義」）。物理規(guī)律不能描述生物形式，這是正確的，正如粒子物理學(xué)的規(guī)律與宏觀現(xiàn)象無(wú)關(guān)，與宏觀尺度上的集體組織的效果相比，微觀規(guī)則是不相關(guān)的。

這就是涌現(xiàn)的悖論，它在強(qiáng)涌現(xiàn)的情況下變得最為明顯。宏觀的結(jié)構(gòu)和模式依賴(lài)于微觀的粒子，但它們又獨(dú)立于微觀粒子。這種最弱形式的因果關(guān)系被限制稱(chēng)為「隨附性」（supervenience）。

宏觀層面獨(dú)立于微觀層面的，是因?yàn)橛幸粋€(gè)中觀或中間層面來(lái)保護(hù)和隔離這兩者。因此在強(qiáng)涌現(xiàn)中，宏觀層面與微觀層面無(wú)關(guān)，反之亦然。這就像安德森（Anderson）說(shuō)的那樣。

把一切都?xì)w結(jié)為簡(jiǎn)單的基本規(guī)律的能力，并不意味著有能力從這些規(guī)律開(kāi)始并重建宇宙。事實(shí)上，基本粒子物理學(xué)家告訴我們的基本定律的性質(zhì)越多，它們與科學(xué)其他領(lǐng)域的非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題似乎就越不相關(guān)，更不用說(shuō)與社會(huì)的問(wèn)題了[9]。

 如果微觀層面被其他東西取代，只要中觀或中間層面保持不變，宏觀層面仍然是不變的。Laughlin 在他的書(shū)中[1]第12章將此稱(chēng)為「相關(guān)性屏障」（Barrier of Relevance）。

這個(gè)意義上的強(qiáng)涌現(xiàn)是對(duì)相關(guān)性屏障的跨越（crossing of the barrier of relevance）。它通常與巨大的復(fù)雜性躍遷和重大演化轉(zhuǎn)變有關(guān)，其特點(diǎn)是出現(xiàn)新的復(fù)制子（基因、模因……）和全新的演化形式（生物、文化……）。巨大的數(shù)量級(jí)10^120——根據(jù)保羅·戴維斯（Paul Davies）[39]的說(shuō)法，蘭道爾-惠勒-勞埃德極限（Landauer-Wheeler-Lloyd limit）為 「底層」物理學(xué)定律可能對(duì)「高層」物理狀態(tài)，行使的任何超決定性的控制設(shè)定了約束限制，而這僅僅是一個(gè)組合爆炸的問(wèn)題。巨大的可能組合數(shù)量使得任何確定性的算法、規(guī)則或定律都不可能突破。

10^120是一個(gè)天文數(shù)字，大致相當(dāng)于宇宙中所有物質(zhì)已經(jīng)處理過(guò)的信息量。如果把宇宙變成一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它可以在宇宙年齡內(nèi)處理大約10^120比特信息，這正好大約是140億年[40]。

即使一個(gè)確定性的規(guī)則或規(guī)律非常簡(jiǎn)短并被壓縮，如果計(jì)算需要幾十億年，也是沒(méi)有意義的。這并不意味著決定論是完全不可能的，它只是制約了局部的、低層次的規(guī)律的決定性，而不是全局的、高層次的行為，具有系統(tǒng)的強(qiáng)涌現(xiàn)性。

肯定達(dá)到蘭道爾-惠勒-勞埃德極限的例子是進(jìn)化系統(tǒng)的兩種基本形式（遺傳和記憶進(jìn)化）的轉(zhuǎn)變：

(1）生命的出現(xiàn)，生物進(jìn)化，基因，遺傳復(fù)制子，遺傳密碼 真正的蛋白質(zhì)通常包含n=60到n=100個(gè)氨基酸?，F(xiàn)有的20個(gè)氨基酸可以排列成20n個(gè)不同的序列，這接近蘭道爾-海勒-勞埃德的極限10120。由于蛋白質(zhì)中的氨基酸是由核苷酸堿基對(duì)的三個(gè)字母詞或密碼子（CCG、UGA、CAA、AUG……）指定的，所以同樣的論點(diǎn)也適用于基因中的堿基對(duì)。

有人說(shuō)，這是一個(gè)支持 「智能設(shè)計(jì)」、反對(duì)進(jìn)化論的論點(diǎn)。然而，進(jìn)化能夠在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)探索這些大量的可能性和組合。

由于通過(guò)變異和重組的不斷變化，它檢查并放棄了大量的不成功的嘗試。這里的重點(diǎn)是，不可能將生物體的行為（基于基因和蛋白質(zhì)）以某種方式納入原子物理學(xué)的規(guī)律。

(2) 文化的出現(xiàn)，文化進(jìn)化，模因，模因復(fù)制子，語(yǔ)言 正常的字母語(yǔ)言有26個(gè)字符，也規(guī)定了一個(gè)不可想象的，巨大數(shù)量的不同組合。像英語(yǔ)這樣的語(yǔ)言有26個(gè)字符，一個(gè)詞大約有7個(gè)字符，一個(gè)句子大約有7個(gè)詞，因此一個(gè)句子大約有2649種不同的序列。不過(guò)，并非所有的組合都是有效的，而且只有大約10萬(wàn)個(gè)英語(yǔ)單詞。如果我們考慮超過(guò)25個(gè)單詞的較長(zhǎng)的有意義的文本，我們?cè)俅谓咏m道爾-海勒-勞埃德的極限10^120。同樣，這種巨大的組合數(shù)量阻礙了低層次生物規(guī)律對(duì)社會(huì)和文化現(xiàn)象的直接控制。我們的語(yǔ)言和書(shū)寫(xiě)系統(tǒng)都沒(méi)有在我們的基因中編碼（我們知道基因控制情緒，而情緒控制高層次的行為，但這更多是一種間接控制機(jī)制）。

這兩種形式是最重要的幾種「涌現(xiàn)」。第一種，生命和遺傳密碼的起源，觸發(fā)了遺傳和生物進(jìn)化。第二種，文化和語(yǔ)言的起源，引發(fā)了記憶學(xué)和文化進(jìn)化。生命和文化的兩個(gè)基本單位分別是細(xì)胞和社會(huì)。前者基于遺傳密碼和DNA，后者基于普通語(yǔ)言和書(shū)寫(xiě)系統(tǒng)。強(qiáng)涌現(xiàn)可以被看作是從一個(gè)進(jìn)化系統(tǒng)（或復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)）到另一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)渡，因此是一種突破或網(wǎng)關(guān)事件（breakthrough or gateway event），正如 Murray Gell·Mann 所說(shuō)的那樣[41]。

第四型是指到目前為止，新的進(jìn)化系統(tǒng)的出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)是由一種新的語(yǔ)言以遺傳/記憶代碼或其他字母的形式規(guī)定的。但原則上，它可以是任何具有一套構(gòu)件和多層次出現(xiàn)的系統(tǒng)。一個(gè)例子是《生命游戲》中的圖靈機(jī)模擬。盡管在CA6中建立一個(gè)圖靈機(jī)可能被認(rèn)為是無(wú)用的，但它可以作為強(qiáng)涌現(xiàn)的玩具模型，因?yàn)檫@里的涌現(xiàn)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的功能在邏輯上是可以與產(chǎn)生它的基本現(xiàn)象分離的。圖靈機(jī)的功能可以在由生命游戲規(guī)則定義的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，但也可以在任何其他平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，可計(jì)算性理論不是生命游戲理論的一個(gè)子集——如果有這樣一個(gè)東西的話。

在哲學(xué)中，這被稱(chēng)為「隨附」（supervenience），比 「超越」（transcendence）早一步。涌現(xiàn)的最高/最強(qiáng)形式與隨附有關(guān)，是因果關(guān)系的最低/最弱形式。換句話說(shuō)，最大形式的涌現(xiàn)與最小形式的因果聯(lián)系有關(guān)。隨附的意思原本是 「不屬于一個(gè)事物的真實(shí)或基本性質(zhì)的一部分」。一個(gè) 「高層系統(tǒng)X對(duì)低層系統(tǒng)Y具有隨附性」，如果以下情況對(duì)所有對(duì)象a和b都成立：（1）a和b的X屬性不可能不同，而Y屬性也不可能不同（2）如果a和b有相同的Y屬性，那么它們也有相同的X屬性。它經(jīng)常被用來(lái)解釋腦-心或身體-靈魂的二元性，其中X是心理屬性，Y是物理屬性。

因此，強(qiáng)涌現(xiàn)描述的系統(tǒng)是對(duì)低級(jí)系統(tǒng)的隨附，但在邏輯上可以與產(chǎn)生它的基本現(xiàn)象分開(kāi)。通過(guò)強(qiáng)涌現(xiàn)產(chǎn)生的「多尺度」系統(tǒng)依賴(lài)于下層系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪窃谄湔Z(yǔ)言的最低層次上實(shí)現(xiàn)的，但同時(shí)它們又獨(dú)立于下層系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兎挠谧约旱闹杏^或宏觀語(yǔ)言，對(duì)微觀細(xì)節(jié)不敏感。低級(jí)系統(tǒng)的微觀細(xì)節(jié)與宏觀現(xiàn)象完全不相關(guān)，高級(jí)系統(tǒng)也可以在其他系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

 （圖22：四種類(lèi)型涌現(xiàn)反饋機(jī)制）

6. 結(jié)論

本文針對(duì)不同類(lèi)型的涌現(xiàn)進(jìn)行了全面的分類(lèi)，將其劃分為四個(gè)基本類(lèi)別。I型描述了沒(méi)有自上而下反饋和自組織的簡(jiǎn)單涌現(xiàn)，尤其是復(fù)雜機(jī)器中的有意涌現(xiàn)。II型包括經(jīng)典的具有自上而下反饋和自組織的弱涌現(xiàn)。在這一類(lèi)型中，還進(jìn)一步區(qū)分了穩(wěn)定和不穩(wěn)定的形式。III型涵蓋了在更復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)中，由于進(jìn)化通過(guò)多重反饋和適應(yīng)而產(chǎn)生的所有形式的涌現(xiàn)。最后IV型刻畫(huà)了進(jìn)化中所有形式的強(qiáng)涌現(xiàn)的特征。由此強(qiáng)涌現(xiàn)這一術(shù)語(yǔ)可從任何神奇或不科學(xué)的含義中解放出來(lái)。（見(jiàn)表2） 

如果選擇可預(yù)測(cè)性而非反饋?zhàn)鳛橹饕姆诸?lèi)特征，那么以上類(lèi)別可保持不變——無(wú)論考慮可預(yù)測(cè)性程度、反饋類(lèi)型、因果關(guān)系形式，抑或受不同種類(lèi)約束的生成過(guò)程或作用，都無(wú)關(guān)緊要。這種分類(lèi)若用可預(yù)測(cè)性來(lái)具體說(shuō)明則是：I型的有意涌現(xiàn)是可預(yù)測(cè)的，與固定的角色相對(duì)應(yīng)；II型的弱涌現(xiàn)在原則上是可預(yù)測(cè)的（盡管并非每個(gè)細(xì)節(jié)），與靈活的角色相對(duì)應(yīng)；III型的多重涌現(xiàn)往往是混沌或完全不可預(yù)測(cè)的，與新角色的出現(xiàn)和舊角色的消失有關(guān)；而IV型的強(qiáng)涌現(xiàn)則在原則上是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗?strong>開(kāi)啟了一個(gè)具有全新角色的全新世界。涌現(xiàn)是一個(gè)創(chuàng)造性的、偶然的、且往往不可預(yù)測(cè)的過(guò)程：涌現(xiàn)越強(qiáng)，涌現(xiàn)的屬性、模式和結(jié)構(gòu)就越不可預(yù)測(cè)。（見(jiàn)表1）

有可能還存在具有其它「多重反饋」形式的第III型涌現(xiàn)，但迄今為止還沒(méi)有人提及。具有多種形式反饋的系統(tǒng)往往非常復(fù)雜，難以理解。具有延時(shí)反饋的系統(tǒng)可以顯示出諸如混沌的行為。如果你想發(fā)現(xiàn)新形式的涌現(xiàn)，這是一個(gè)值得關(guān)注的點(diǎn)。本文提出的涌現(xiàn)分類(lèi)法并不是一個(gè)全面的理論，而是在正確的方向上邁出的第一步，以便人們更深入、更好地理解復(fù)雜系統(tǒng)中的各種現(xiàn)象。就像復(fù)雜性難以定義一樣，有些東西如果難以描述就是一種復(fù)雜性，因此涌現(xiàn)也很難用模型或理論來(lái)完全捕捉，因?yàn)樵谟楷F(xiàn)過(guò)程中，新的實(shí)體會(huì)出現(xiàn)，它們就受自己的規(guī)律支配。

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