你想过吗：为什么整体会大于部分之和？

杨明哲

假如你眼前的桌子上有一个像这样的蛋糕，你大概率很想吃掉它，可是且慢，你为什么想吃它呢？你可能会说，因为我饿了，因为它看起来很好吃呀。可是如果继续深究下去，就会遇到一个让科学家非常惊奇的谜团。

千百年来科学的进步让我们发现万事万物都可以拆成一块一块的，你把一个系统拆完了，也就理解它了。可是吃蛋糕这么简单的事却很难办。控制我行为的想法肯定来自大脑，而大脑又可以拆成一个个神经元，可是你问遍所有神经元，没有一条神经元会告诉“我想吃蛋糕”这个完整的信息。看起来平平无奇的神经元，聚集起来居然能构成人脑如此复杂精妙的器官，这就是涌现。

涌现：为什么整体会大于部分之和？

涌现这个现象非常常见。蛋糕你不会每天都吃，水你肯定每天喝。温度较高的时候，每个水分子自由地动来动去，扭来扭去。这时候你去看这一团水蒸气，上看下看左看右看它都是一样的，可以说是完全对称的。而当温度降低，水分子不得不排好队列，形成严密的晶格，也就是冰。这时候你切换不同的观察角度，各个方向看到的水分子排列结构是不同的。对称性，被破坏了。这个现象被物理学家称为——自发对称性破缺。

这和涌现有什么关系呢？实际上，一个叫菲利普·安德森（P. W. Anderson）的物理学家就认为，对称性破缺是涌现的基础。在1972年，他在《科学》（Science）杂志上发表了一篇大名鼎鼎的文章《More is different》。短短三个单词颇有大道至简的意味，翻译过来叫做“多者异也”，简单说，就是多了它就不一样了。那么问题来了，多了，咋就不一样了呢？一个橘子是橘子，两个橘子放一起它就不是水果了吗？

事实上，橘子再多我们也不会期待它有什么量变引起质变的神奇现象。但你把橘子换成蚂蚁就大不一样了。单独一只蚂蚁笨的要死，但一堆蚂蚁放在一起却可以自发形成蚁群，它们建造蜿蜒复杂的蚁穴，产生劳动分工，发展出农业和畜牧业——有些蚂蚁维护真菌农场，有些照管蚜虫牧场等等。那你说为什么蚁群要做这些事呢？你去问单个蚂蚁问不出个所以然，正如你的神经元不理解蛋糕这个概念一样。但一大堆蚂蚁通过信息素相互交流，却可以实现整体大于部分之和的效果，涌现出高度的智能。

一大堆橘子和一大堆蚂蚁的差异让我们看到，“大”和“多”并不一定会产生涌现，事实上，我们有必要给涌现的描述划定一个边界，看看到底在怎样的条件下才会发生涌现。

什么时候会发生涌现？

【1. 划分尺度】

首先我们需要区分不同尺度的描述。比如当我说水结成冰的时候，就是在描述一个宏观的变化，而描述一个个水分子的变化情况时，就是在微观尺度上描述它。任何一堆东西都可以这样划分尺度来描述，没什么稀奇的。

【2. 出现新的因果】

接下来我们要聚焦某些特殊的系统，它们在宏观尺度上出现的某些结果，因为对称性破缺，没办法还原到微观上找到原因来解释，只好在宏观尺度上找到一个新的“因”来解释这个宏观上的“果”，而之所以会有新的因，是因为我们把一个系统当成了一个整体。

比如对于水波，我们知道水波是由水分子组成的，可是你会怎样描述这样一个现象，是说“一道水波从左传播到右”，还是说“一个水分子上下振动带动周围水分子振动，从而引起不同空间里水分子的相位差”？显然把水波作为一个整体来看待更加简洁，或者说因果性更明显。当今不同学科正是分别选择了一个因果性最强的尺度来研究他们所关心的问题的。

【3. 选择因果性最强的尺度】

把以上三个步骤，包括划分尺度、出现新的因果，以及选择因果性最强综合在一起，便有了因果涌现这样一个理论的雏形。这个理论由一名叫做 Erik Hoel 的神经科学家在2013年提出，目前已经是比较主流的定义和量化涌现的理论之一。需要指出的是，涌现现在更多是一些现象描述，而且非常不统一。因果涌现理论并不是一个普遍接受的理论，而是一种尝试量化涌现的方法。这方面的理论还有很多，在这里就不一一赘述。

到了这一步，我们就可以喊出“More isdifferent”的口号了，因为整体确实不等于部分之和，化学家、生物学家甚至社会学家研究的事物，就是没办法用最基本的物理学来解释。可以说正是因为有涌现这个现象，我们才有必要衍生出诸多学科，来从不同尺度研究这同一个真实世界。

总之，涌现这样一个神奇的现象让我们的世界不会无趣，从生命起源到你理解一篇文章的中心思想，从灵活有序的鸟群到这支视频里的“我”，理解涌现，会让你多一层看待世界的智慧。请注意，此刻你眼中的“我”不是一个人，而是一堆像素的组合罢了。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：杨明哲

审核：张江 北京师范大学系统科学学院教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司