突現(xiàn)是不可解釋的嗎論系統(tǒng)突現(xiàn)的模擬可推導性及其性質(zhì)與條件

突現(xiàn)是不可解釋的嗎論系統(tǒng)突現(xiàn)的模擬可推導性及其性質(zhì)與條件

亞歷山大、摩根和布羅德（cdborad）認為，突現(xiàn)者的性質(zhì)是完全不可預測的。這是一個無法控制的真實事實讓我們意識到這一點。我們只能以對自然的虔誠態(tài)度來對待它。至于如何解釋它,則無可奉告。但隨著20世紀末新發(fā)展出來的以研究關(guān)系為導向的“系統(tǒng)科學維”的出現(xiàn),以及復雜性科學和計算機科學的發(fā)展,基于高速計算機、新數(shù)學方法與工具,特別是離散動力學和混沌動力學的研究,系統(tǒng)科學家運用計算機模擬的方法對復雜系統(tǒng)或復雜適應(yīng)系統(tǒng)進行研究,發(fā)現(xiàn)遵循極為簡單的局域相互作用規(guī)則的一串數(shù)碼符號,經(jīng)反復迭代運算能自發(fā)地形成許多極為復雜的有序穩(wěn)定模式,從而展現(xiàn)突現(xiàn)的生成機理。這種以模擬方法為理論依據(jù),借助計算機技術(shù)試圖打開復雜系統(tǒng)突現(xiàn)黑箱的研究學派當首推美國圣菲研究所。該所的研究學者拉斯穆森(SteenRasmussen)和巴雷特(ChristopherLBarret)在ElementsofaTheoryofSimulation中指出:模擬的主要性質(zhì)是它能展現(xiàn)突現(xiàn),模擬是一個“突現(xiàn)發(fā)動機”。模擬是獲得各種突現(xiàn)動力學關(guān)系和現(xiàn)象認識的一個直接生成的方法,借助這個方法可以去研究用其它方法難以處理的復雜動力學的性質(zhì)。同時他們還提到:模擬是如何產(chǎn)生突現(xiàn)行為的?它為什么能產(chǎn)生突現(xiàn)行為?正在被模擬的系統(tǒng)動力學的分析為什么總是能分析突現(xiàn)現(xiàn)象?這些問題的答案是:因為模擬的性質(zhì)是根據(jù)動力系統(tǒng)的性質(zhì)來描述和分析的。1有突現(xiàn)ps通常認為,對一個自然或社會的實際復雜系統(tǒng)的模擬需要下列三個要素:(1)元素Si=Si(t),其中i=1,2,3,?,n(1)i=1,2,3,?,n(1)Si是對一個系統(tǒng)組成元素建立的模型,它表現(xiàn)了第i個元素或個體隨時間的變化而變化的狀態(tài),所以霍蘭稱它為動態(tài)機制。(2)相互作用規(guī)則Ιij=Ι(Si,Sj).(2)Iij=I(Si,Sj).(2)它是元素之間相互作用的規(guī)則或規(guī)律。具體說來是第j個個體作用于第i個個體的規(guī)則,是對元素相互作用的一個模擬。(3)更新函數(shù)U,是系統(tǒng)及其元素的狀態(tài)隨時間t序列的轉(zhuǎn)換函數(shù),即Si(t+1)=U(Si(t),Ιij(t)),i=1,2,3,?,n.(3)Si(t+1)=U(Si(t),Iij(t)),i=1,2,3,?,n.(3)在這三個要素的基礎(chǔ)上,我們便可以建立對系統(tǒng)的模擬∑S,它指的是在我們進行計算的時間演進過程∑t和空間的聚合過程∑i里,所有個體狀態(tài)迭代更新的集合。即∑S=m∑t=1n∑i=1(Si(t+1))=∑t∑i(U(Si(t),Ιij(t))),t=1,2,3,?,m;i=1,2,3,?,n.(4)∑S=∑t=1m∑i=1n(Si(t+1))=∑t∑i(U(Si(t),Iij(t))),t=1,2,3,?,m;i=1,2,3,?,n.(4)在系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)上,引用我們給出的高層次系統(tǒng)突現(xiàn)的定義(即S2=〈S2i,O2,I2ij,E2ik〉=Φ(S1i,O1,I1ij,E1ik,t)),如果有代入各變量的適當?shù)某跏紬l件C,我們便可推出突現(xiàn)的條件:當S2即Φ(S1i,O1,I1ij,E1ik,t)∈∑1S時,我們說有突現(xiàn)結(jié)構(gòu)從層次中的系統(tǒng)模型∑1S(U(S1i,O1,I1ij,E1ik,t))中推出,即∑1S(U(S1i,Ο1,Ι1ij,E1ik,t))＆C?S2,當且僅當S2=Φ(S1i,Ο1,Ι1ij,E1ik,t)∈∑1S;當Ρ∈Ρ(∑1S(U(S1i,Ο1,Ι1ij,E1ik,t)))時,我們說有突現(xiàn)性質(zhì)P2從∑1S中推出,但在這里必須附加上一個條件,即P2=O2(S2),也就是說必須存在一個高層次的觀察或構(gòu)型函數(shù)O2,此時就能推出Ρ2e:∑1S＆Ο2＆C?Ρ2e,即Ρ2e={Ρ│Ρ∈Ο2(S2)∧Ρ?Ο1(S1i)∧Ρ?Ο2(S1i)}(5)在這里我們又遇到了我們建立復雜系統(tǒng)突現(xiàn)定義時所遇到的關(guān)鍵問題O2,若沒有它,對于突現(xiàn)出來的各種構(gòu)型我們會視而不見,聽而不聞。英國突現(xiàn)主義者說的我們不能推出突現(xiàn),“直到我們看到它們”,指的就是這個O2。同時需要注意的是,我們所使用的這種基于計算機的模擬還必須具有一個具體的實現(xiàn)機制,也就是實現(xiàn)∑S的迭代程序的機器,通常它是某類數(shù)字計算機。當然,對于一個被模擬的系統(tǒng)來說,有可能還存在一個是否是可模擬的問題,一般的判斷標準是:只要模擬能分配給組成這個系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)更新函數(shù),就可以確定這個系統(tǒng)具有可模擬性。根據(jù)突現(xiàn)、模擬的形式化定義,我們得出了系統(tǒng)建立模擬及通過模擬推出突現(xiàn)的兩個關(guān)系式(公式(4)、(5))。這樣,我們已經(jīng)具備了打開突現(xiàn)黑箱的某種可能性:在低層次主體相互作用的基礎(chǔ)上,探索突現(xiàn)的形成過程、它的機制與結(jié)構(gòu),并通過模擬將它推導出來。許多的實例,如數(shù)學家康威(JConway)在生命游戲中模擬推出“生命有機體”的突現(xiàn)、人工生命之父朗頓(CLangton)創(chuàng)造出的虛擬螞蟻修建公路的突現(xiàn)、美國洛杉磯的計算機制圖專家克雷格·雷諾茲(CReynolds)設(shè)計的用來模擬動物群體運動的群伴(Boids)模型中的突現(xiàn)現(xiàn)象使現(xiàn)在的情況變成這樣:突現(xiàn)性質(zhì)不但必須承認,而且是完全可以模擬導出的,并且是部分地可預言、可解釋的。這是一種無情的計算機模擬的邏輯結(jié)論,它迫使我們不但承認它,而且承認它所導出的有關(guān)復雜系統(tǒng)突現(xiàn)的機理:如果我們具備了高層次的觀察函數(shù)O2,便可以從低層次組成元素(Si)以及簡單的規(guī)則(Iij)中模擬地推出突現(xiàn)現(xiàn)象。2“突現(xiàn)的模擬輸出”(1)它不是分析地或解析地被演繹推出的,而是綜合地或基于主體地被模擬推出的。所謂“模擬地推出”主要并不是通過將系統(tǒng)的整體分解為部分并建立方程而得到解析性的解,它主要是在給系統(tǒng)元素建模后,通過表達和計算微觀的局域因果相互作用怎樣通過跨越空間的聚合和跨越時間的迭代來展示出突現(xiàn)的整體現(xiàn)象而得到理解。如果把還原當作是“從微觀角度對宏觀現(xiàn)象的一種解釋…是與上行因果關(guān)系含義相同”,那么基于模擬的推理則主要不是一種從整體到部分的思考推理過程,而主要是一種“自下而上”的,即由部分到整體的模擬過程和推理過程,它實際上是一種綜合方法,人們通常把這種方法論上的轉(zhuǎn)變被稱為基于方程的模擬轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥黧w的模擬。(2)它是一種部分還原的推出,而不是全還原的推出。突現(xiàn)是發(fā)生于高層次系統(tǒng)的,它的特征是運用高層次觀察函數(shù)O2來觀察測量并運用高層次命題(例如M2)與高層次理論(例如T2)來表達的。無論O2、M2、T2都是在低層次觀察O1、低層次命題M1以及低層次理論T1中不存在的?；瘜W中水的冰點、沸點、溶解熱、升華熱都是高層次現(xiàn)象和高層次概念,如冰的升華熱為12.2千卡,可用其中有3/4的能量用來破壞分子間的氫鍵來解釋。但氫鍵這個概念在量子力學中是沒有的,因此它不能完全由低層次理論的量子力學推出,必須附加上有關(guān)在量子力學中不存在的關(guān)于氫鍵的假說才能推出冰的升華熱,這就是部分還原地推出。很明顯,這里所謂部分還原地推出,就是在從低層次元素的相互作用的規(guī)律與條件推出高層次的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和規(guī)律之前,必須已經(jīng)運用了盡管是很少量的但卻是高層次才有的概念,這是我們的“模擬推出”與還原論的根本區(qū)別。同樣,通過元胞自動機的模擬對生命突現(xiàn)的推出,也是一種部分還原的推出。不能從元胞狀態(tài)的初始條件以及元胞之間相互作用規(guī)則中推出生命滑翔機的構(gòu)型、運動方向、運動速度以及滑翔機槍之類的東西。必須至少附加上高層次的觀察函數(shù)才能模擬地導出突現(xiàn)現(xiàn)象,即在上面的公式(5)中,∑1sΦ(S1i,Ο1,Ι1ij,E1ik,t)＆C?Ρ2不能成立,而∑1sΦ(S1i,Ο1,Ι1ij,E1ik,t)＆Ο2＆C?Ρ2才能成立。O2函數(shù)是一種高層次的觀察函數(shù)。如果說,“突現(xiàn)的模擬導出”是一種還原解釋方法,那只是部分還原解釋方法,它本身就說明,存在著一些突現(xiàn)性質(zhì),它本身是不可還原的或至少是部分不可還原的。所以“突現(xiàn)的模擬導出”這種還原方法恰恰證明只用還原方法理解突現(xiàn)是不充分的,必須至少同時使用兩種觀察函數(shù)、兩種層次的分析和綜合才能較充分地理解突現(xiàn)。況且由于宏觀突現(xiàn)現(xiàn)象可能有多重突現(xiàn)的微觀機制,某一種微觀機制對宏觀突現(xiàn)的推出與解釋只是諸多可能解釋和導出的一種例示,它總是不完備的,特別是當這些多重突現(xiàn)不是意義相關(guān)時情況更是如此。3關(guān)于突現(xiàn)的條件以及必要的高層次觀察函數(shù)o2這樣看來,一種突現(xiàn)性質(zhì)是能夠模擬地被導出的,它至少需要具備下列三個條件:(1)它必須是可模擬的。突現(xiàn)事物,突現(xiàn)性質(zhì)有時是十分錯綜復雜的,當內(nèi)部元素難以區(qū)別或內(nèi)部元素之間的關(guān)系像是“剪不斷,理還亂”時,則建模是十分困難的,有時甚至是不可能的。所以一個系統(tǒng)是可模擬的,當且僅當:①存在著Si∈M,這里M為模型,即能從被模擬系統(tǒng)中抽象出一些關(guān)鍵的特征作為模擬系統(tǒng)的元素。②存在著若干的更新函數(shù)U,它分布在所有的Si上。這兩個條件并不是普遍成立的,存在著不可分解的系統(tǒng)和系統(tǒng)屬性。所以這個條件本身的成立也表明突現(xiàn)的模擬導出的局限性。當你抽象出Si時,Si是否真正能反映或表現(xiàn)該系統(tǒng)的真正性質(zhì),你所確定的更新函數(shù)U是否真正能反映或表現(xiàn)該系統(tǒng)的演化,這本身是個問題。在最好的情況下,它也總是被簡化了的,這就包含了一種不準確性和不確定性。(2)它必須是可計算的。例如分形理論中,蒙德布羅集的迭代映射Zn+1=Zn2+C中,這是可模擬的,但Z與C都是復數(shù),大多數(shù)C都逼近不穩(wěn)定平衡集朱莉亞集,這個映射是不可計算的,因為計算是定義在實數(shù)集上的。同樣各種函數(shù)式的迭代當出現(xiàn)虛數(shù)解時就不可避免要推廣到復數(shù),這是原則上的不可計算性。至于原則上是可計算的突現(xiàn)過程,如果由于Si的數(shù)目過大,更新函數(shù)U過于復雜,超出實際可計算的范圍,它實際上也是不可計算的,這也是不符合模擬可導出的條件的。(3)它必須給出必要的高層次觀察函數(shù)O2。上面已經(jīng)指出,如果不給出必要的O2函數(shù),突現(xiàn)也是不可模擬導出的。對于突現(xiàn)可模擬導出的條件的研究告訴我們,由于復雜系統(tǒng)突現(xiàn)的復雜性、不確定性、對初始條件的敏感性以及模擬、計算和觀察條件的限制,系統(tǒng)突現(xiàn)是不可準確預測的,像金融危機、政局突變和地震等實際情況,尤其是當這類事件對于我們是第一次出現(xiàn)的時候,由于此時我們?nèi)狈2,就會出現(xiàn)對它們不可預測這樣的情況。但同時我們也注意到,系統(tǒng)的突現(xiàn)也并不是完全不可預測的,在我們具備了O2后,還是有可能模擬推導出它的,目前我國正大力推行的重大災(zāi)害預警系統(tǒng)就是一個很好的例證。與“早期英國突現(xiàn)論者”不同,當今以復雜理論為研究平臺的“新突現(xiàn)論者”旨在揭示突現(xiàn)生成的機理,從某種程度上說正在打開突現(xiàn)的黑箱。突現(xiàn)為什么具有不可預測的根本的新穎性?為什么具有不可還原的層次性?那是因為當我們只知道基本元素及其局域相互作用時,它是經(jīng)過一個隨機漲落和突變分叉過程而達到整體結(jié)構(gòu)的。我們是不可能通過對低層次的簡單規(guī)律和初始條件的分析來預測對突現(xiàn)形成和突現(xiàn)模式起了關(guān)鍵作用的那些隨機偶然的東西。因此,我們在全局形成之前不知道全局是什么樣子,直到我們用O2看到了它,才吃驚地看到原來高層次的結(jié)構(gòu)是那樣,它是與低層級根本不同的東西。即使整個跨層次的發(fā)展過程是完全決定論的,就像混沌與分形學所討論的那樣,但由于整個過程對初始條件的極度敏感性(蝴蝶效應(yīng)),誰也不能從北京的一只蝴蝶拍拍翅膀就預測到美國德州由此會發(fā)生大風暴。混沌分形學家蒙德布羅對一個很簡單的方程Zn+1=Zn2+C做迭代運算,它的結(jié)果當然是決定論的,其結(jié)果用電腦精確給出的圖形(蒙德布羅集)卻像一個仙人掌,仙人掌上又長著仙人掌。他大吃一驚,因為數(shù)學的性質(zhì)是一種理想化的、規(guī)整的、無生命的東西,怎么會給出一些奇特的古怪的東西呢?他懷疑是否電腦出了毛病,他重新進行精確的模擬實驗,但結(jié)果卻出現(xiàn)了更多的千奇百怪的圖案,它不但不能被提前預測到,而且是由簡單的規(guī)則反復迭代運作出現(xiàn)或?qū)С龅漠惓碗s的東西,連他自己也不敢相信了。最后,我們還要對“模擬推出”或“模擬導出”這個術(shù)語作一個補充,以說明“通過模擬推出突現(xiàn)的內(nèi)部機理”是什么性質(zhì)。“模擬推出”是一個以計算機科學和離散數(shù)學為基礎(chǔ)的邏輯數(shù)學概念,它本質(zhì)上屬于一種演繹推導,但它不同于亨普爾的假說演繹模型。假說演繹模型是建立在普遍規(guī)律基礎(chǔ)上的演繹,而我們這里的模擬推出是建立在動態(tài)模型基礎(chǔ)上的演繹推理。同時,在將模擬推理運用于突現(xiàn)分析時,我們做的工作與內(nèi)格爾(ENagel)關(guān)于理論還原做的工作不同。內(nèi)格爾的還原解釋認為,只要有了“橋接原理”就可以由低層次性質(zhì)與規(guī)律推演出高層次的性質(zhì)與規(guī)律。我們認為,他所說的“橋接原理”是否可能,它的性質(zhì)是什么本身就需要證明。因此,在我們的推導中,根本沒有運用橋接原理,而是運用了觀察函數(shù)O2。這個函數(shù)在根本上是屬于高層次的概念,而且與觀察者相關(guān),所以還原解釋不但是模擬的,而且是局部的。同時,這個演繹過程不是分析的,而是綜合的。這些就是我們與經(jīng)典還原論有根本區(qū)別的地方。至于“通過模擬可推出(弱)突現(xiàn)”(“WeakEmergence”as“DerivationbySimulation”),最早是由著名哲學家比多(MBedau)提出來的。根據(jù)能否被模擬地推出,他提出了這樣的觀點:能被模擬推出的突現(xiàn)叫做弱突現(xiàn),不能被模擬推出的突現(xiàn)叫做強突現(xiàn)。同時,他還說了一段很適合于我們這里論述的話,他說:“通過模擬導出包含了微觀元素