彼の 1890 年の作品では、The Principles of Psychology 、ウィリアム・ジェームズはロミオとジュリエットを引き合いに出して、意識的な存在とそれらを構成する粒子との違いを説明しました.
ロミオはジュリエットを望んでいるが、ファイリングは磁石を欲しがっている。障害物がなければ、彼は彼女に向かってまっすぐに移動します」とジェームズは書いています. 「しかし、ロミオとジュリエットの間に壁ができたとしても、磁石やヤスリのようにばかげて顔を反対側に押し付けたままになることはありません。 …ロミオはすぐに、壁をよじ登ったり、別の方法でジュリエットの唇に直接触れる遠回りの方法を見つけます。」
29歳の理論神経科学者で作家のエリック・ホエルは、最近のエッセイでこの一節を引用し、意識とエージェンシーがどのように発生するかについての彼の新しい数学的説明を提示しました.意図と目標指向の行動を伴う存在であるエージェントの存在は、すべての行動が粒子間の機械的相互作用から生じるという還元主義的仮定とは長い間、大きく矛盾しているように思われてきました。原子間にエージェンシーは存在しないため、還元主義はエージェントがまったく存在しないことを示唆しています。ロミオの欲望と心理状態は、彼の行動の本当の原因ではなく、彼の原子間の未知の複雑な原因と結果を近似しているだけです。脳とその周辺。
「因果的出現」と呼ばれるホエルの理論は、この還元主義的な仮定を丸ごと否定しています。
ウィスコンシン大学マディソン校のラリッサ・アルバンタキスとジュリオ・トノーニと共にこのアイデアを最初に提案したコロンビア大学のポスドク研究者であるホエルは、「因果的出現は、エージェントの説明が本当に本物であると主張する方法です」と述べています。 「『ああ、私の原子が私にそれをさせた』のようなことを言うだけなら、それは真実ではないかもしれません.そして、それはおそらく真実ではないかもしれません。」
情報理論の数学的言語を使用して、Hoel と彼の共同研究者は、新しい原因 (結果を生み出すもの) が巨視的スケールで出現する可能性があることを示していると主張しています。彼らは、物理システムの粗粒度の巨視的な状態 (脳の心理状態など) は、システムのより詳細できめ細かな記述よりも、システムの将来に対してより大きな因果関係を持つ可能性があると言います。カーネギーメロン大学とサンタフェ研究所の情報理論家で認知科学者であり、この研究には関与していないサイモン・デデオは、欲望や信念などの巨視的な状態は、「本当の原因の単なる省略形ではない」と説明した。実際には本当の原因の説明であり、よりきめの細かい説明では実際にはそれらの原因を見逃すことになります。」
「私には、それについて話すのが正しい方法のように思えます」と DeDeo は言いました。
Hoel と共同研究者は、2013 年以来、彼らのアイデアの背後にある数学を開発してきました。Entropy ジャーナルの 5 月の論文 、ホエルは、マクロスケールが数学的にまったく同じ方法で因果力を獲得することを示すことにより、因果的出現をより強固な理論的基盤に置きました。これは、エラー訂正コードが情報チャネルを介して送信できる情報の量を増加させます。コードが送信データのノイズ (したがって不確実性) を減らすのと同じように — 情報理論の基盤を形成したクロード シャノンの 1948 年の洞察 — マクロ状態もシステムの因果構造におけるノイズと不確実性を減らし、因果関係を強化し、システムの振る舞いを作るとホエルは主張します。
南アフリカの宇宙学者で、自然界におけるトップダウンの因果関係についても書いているジョージ・エリスは、ホエルの新しい論文について次のように述べています。 Ellis は、超伝導や物質のトポロジカル相など、多くの創発現象の原因が因果的出現によって説明できると考えています。鳥の群れや超生物などの集団システムや、結晶や波のような単純な構造でさえも、因果的出現を示す可能性があると研究者は述べています。
因果的出現に関する研究は、物理学者の間ではまだ広く知られていない。彼らは何世紀にもわたって自然に対して還元主義的な見方をしており、この問題に関するさらなる哲学的思考をほとんど避けてきた.しかし、パズルが生まれる物理学、生物学、情報理論、哲学の間のインターフェースでは、新しいアイデアが興奮を引き起こしています。世界とその謎を説明する上でのそれらの究極の有用性 - 意識、他の種類の出現、現実のミクロレベルとマクロレベルの間の関係を含む - は、ホエルが因果関係の悪名高いトリッキーな概念を釘付けにしたかどうかにかかっています。原因？ 「20 人の現役の科学者を部屋に連れてきて、因果関係は何かと尋ねたら、全員が反対するでしょう」と DeDeo 氏は述べています。 「私たちはそれについて混乱しています。」
原因の理論
飲酒運転で死亡事故、死因は？医師は破裂した臓器の名前を挙げ、心理学者は意思決定能力の障害を非難し、社会学者はアルコールに対する寛大な態度を指摘します。生物学者、化学者、物理学者は、これまで以上に元素の原因を見ています。 「有名なことに、アリストテレスには半ダースもの原因の概念がありました」とデデオは言いました。 「私たち科学者は、文字通りの接触、接触、押すこと以外はすべて拒否しました。」
物理学者にとって真の原因は、粒子間に作用する基本的な力です。そこからすべての効果が波及します。実際、これらの力は、分離できる場合、完全に決定論的で信頼できるように見えます。たとえば、物理学者は、大型ハドロン衝突型加速器での粒子衝突の結果を高精度で予測できます。この見方では、追跡する変数が多すぎる場合にのみ、原因と結果を第一原理から予測することが難しくなります。
さらに、哲学者は、一度に 2 つのスケールで存在する因果力は、世界が必要とするものの 2 倍になると主張しています。二重計上を避けるために、「除外論」は、すべての因果力はミクロレベルで発生しなければならないと述べています。しかし、ほとんどの場合、巨視的な実体の観点から原因と結果を議論する方が簡単です.致命的な自動車事故の原因や、ロミオが登攀を始めた理由を探すとき、「神経細胞の発火を微視的なスケールまで突き詰めるのは正しくないと思われる」とデデオ氏は述べた。 「そこにエリック [ホエル] が飛び込んでいます。因果関係の数学について話すのは少し大胆なことです。」
友好的で大きな手足の Hoel は、マサチューセッツ州ニューベリーポートにある家族経営の書店 Jabberwocky で本を読んで育ちました。彼は学部生として創作を学び、作家になることを計画していました。 （彼は今でもフィクションを書き、小説を書き始めています。）しかし、彼は意識の問題にも惹きつけられました。それは何であり、なぜ、どのように私たちはそれを持っているのかということです。大学院では、彼はウィスコンシン州マディソンに行き、Tononi と一緒に研究しました。Hoel の見解では、意識の真に科学的な理論を持っていた当時唯一の人物でした。
Tononi は、意識を情報として考えています。ビットは、個々のニューロンの状態ではなく、ニューロンの複雑なネットワークでエンコードされ、脳内で互いにリンクして、ますます大きなアンサンブルになります。 Tononi は、この特別な「統合された情報」は、私たちが主観的な認識として経験する統一された統合状態に対応していると主張しています。統合情報理論は、それが意識の正確かつ十分な代用物であるかどうかについての議論が続いているにもかかわらず、ここ数年で注目を集めています.しかし、2010 年に Hoel が初めてマディソンに着いたとき、そこで取り組んでいたのは 2 人だけでした。
Tononi は、スケールと情報の一般的な数学的関係を調査することを Hoel に課しました。科学者たちは後に、時空間スケールの階層を上に移動するにつれて、ニューラル ネットワークに統合された情報の量がどのように変化するかに注目し、ニューロンのより大きなグループとより大きなグループの間のリンクを調べました。彼らは、どのアンサンブル サイズが最大の統合された情報に関連付けられるか、つまり意識的な思考や決定に関連付けられる可能性があるかどうかを突き止めたいと考えていました。 Hoel は独学で情報理論を学び、意識、還元主義、因果関係に関する哲学的議論に没頭しました。
Hoel はすぐに、マクロスケールで意識がどのように発生するかを理解するには、脳の状態の因果関係を定量化する方法が必要になることに気付きました。彼は、「因果関係の最良の尺度はビットにある」ことに気付いたと述べた。彼はまた、1990 年代に因果関係を研究するための因果計算と呼ばれる論理言語を開発したコンピューター科学者で哲学者の Judea Pearl の著作も読みました。 Albantakis と Tononi と共に、Hoel は「有効な情報」と呼ばれる因果力の尺度を形式化しました。これは、特定の状態がシステムの将来の状態にどれほど効果的に影響するかを示します。 (効果的な情報は、統合された情報を計算するのに役立ちますが、より単純で一般的であり、因果力の尺度として、意識に関する Tononi の他の考えに依存していません。)
研究者たちは、ニューラル ネットワークの単純なモデルでは、ネットワーク内のニューロンを粗粒度化する (つまり、ニューロンのグループを単一のユニットとして扱う) ほど、有効な情報量が増加することを示しました。これらの連結されたユニットの可能な状態は因果構造を形成し、状態間の遷移はいわゆるマルコフ連鎖を使用して数学的にモデル化できます。特定の巨視的スケールで、有効な情報がピークに達します。これは、システムの状態が最も因果的な力を持ち、最も信頼性が高く効果的な方法で将来の状態を予測するスケールです。さらに粗粒度にすると、システムの因果構造に関する重要な詳細が失われ始めます。 Tononi と同僚は、脳内では、最大の因果関係のスケールが意識的な決定のスケールに対応するはずであるという仮説を立てています。 Albantakis は、脳の画像研究に基づいて、これは約 100 個のニューロンからなるニューロンのマイクロカラムの規模で発生する可能性があると推測しています。
ニューロンの基本スケールを悩ませているランダム性と冗長性のために、因果的出現が可能である、と Hoel は説明した。簡単な例として、それぞれ 10 個のニューロンからなる 2 つのグループからなるネットワークを想像してください。グループ A の各ニューロンは、グループ B の複数のニューロンにリンクされており、グループ A のニューロンが発火すると、通常、B ニューロンの 1 つも発火します。どの連結ニューロンが発火するかは正確には予測できません。たとえば、グループ A の状態が {1,0,0,1,1,1,0,1,1,0} の場合、1 と 0 はそれぞれ発火するニューロンと発火しないニューロンを表し、結果としてグループ B の状態は、1 と 0 の無数の可能な組み合わせを持つことができます。平均して、グループ B の 6 個のニューロンが発火しますが、どの 6 個がほぼランダムであるかは不明です。ミクロの状態はどうしようもなく不確定です。ここで、システム全体を粗粒度化して、今回はすべての A ニューロンをグループ化し、発火した総数を単純に数えることを想像してください。グループ A の状態は {6} です。この状態は、グループ B の状態も {6} である可能性が高いです。マクロ状態はより信頼性が高く効果的です。計算により、より効果的な情報があることが示されています。
現実世界の例は、要点を固めます。 「私たちの生活はとても騒がしいです」とホエルは言いました。 「あなたの原子状態を教えていただければ、あなたの将来の[原子]状態が12時間でどこになるかを推測することは完全に不可能かもしれません.それを実行してみてください。非常に多くのノイズが発生するので、わかりません。では、心理的な説明または生理学的な説明をしてください。12 時間後にどこにいるつもりですか?」彼は言った（正午だった）。 「あなたは眠りにつくでしょう—簡単です。したがって、これらのより高いレベルの関係は、信頼できるように見えるものです。これは、因果的出現の非常に単純な例です。」
どのようなシステムでも、効果的な情報は、最大かつ最も信頼できる因果構造を持つスケールでピークに達します。意識のあるエージェントに加えて、Hoel は、これが岩石、津波、惑星、および私たちが世界で通常目にする他のすべてのオブジェクトの自然なスケールを選択する可能性があると言います. 「そして、私たちが進化的にそれらに同調している理由は、それらが信頼性が高く効果的であるため[かもしれません]ですが、それはまた、それらが因果的に創発的であることを意味します」とHoelは言いました.
脳画像実験はマディソンとニューヨークで計画されており、Hoel はコロンビアの神経科学者 Rafael Yuste の研究室に参加しています。どちらのグループも、モデル生物の脳を調べて、未来を最も因果的に制御する時空間スケールに到達しようとします。これらのスケールでの脳活動は、将来の活動を最も確実に予測するはずです。ホエルが言ったように、「脳の因果構造はどこに現れるのか?」データが仮説を支持する場合、結果はより一般的な自然の事実の証拠と見なされます。ウィスコンシングループのポスドク研究者であるウィリアム・マーシャルは、「エージェンシーまたは意識は、この考えが最も明白になるところです. 「しかし、因果的出現が起こっていることを発見した場合、還元主義的仮定は再評価されなければならず、それは広く適用されなければならない.」
新しい哲学的思考
生命の起源を研究しているアリゾナ州立大学の物理学者兼宇宙生物学者であるサラ・ウォーカーは、効果的な情報や統合された情報などの尺度が、非生命と生命の間をリードするグレースケールとして彼女が見ているものを定義するのに役立つことを望んでいます（ウイルスと細胞周期のどこかで）灰色の領域）。ウォーカーはトノニのチームと協力して、実際の細胞周期と人工の細胞周期の研究を行っており、統合された情報が生きていることと相関している可能性があることを予備的に示しています.
他の最近の研究では、マディソン グループは、「ブラック ボクシング」と呼ばれる因果的出現を測定する方法を開発しました。これは、単一のニューロンのようなものに適していると彼らは言います。ニューロンは、その構成原子の単純な平均ではないため、粗視化には適していません。ブラックボックス化は、ニューロンの周りにボックスを置き、ボックスの全体的な入力と出力を測定するようなものであり、内部の仕組みについては何も仮定しません。 「ブラックボックス化は因果的出現の真に一般的な形式であり、生物学的および工学的システムにとって特に重要です」と Tononi は電子メールで述べています。
ウォーカーはまた、効果的な情報と因果的出現を情報理論とシャノンのノイズ チャネル定理の基礎までたどるホエルの新作のファンでもあります。 「私たちは非常に深い概念の領域にいるため、どちらの方向に進むべきかは明確ではありません」と彼女は言いました。
ウィートン カレッジの哲学者であり物理学者であるロバート ビショップは、「EI に関する私の見解」 (有効な情報) は、「EI は創発の有用な尺度になり得るが、唯一のものではない可能性が高いということです」と述べています。 Hoel の尺度には、信頼性と因果関係の数のみを反映するシンプルであるという魅力がありますが、Bishop によると、さまざまな状況に適用される因果関係のいくつかのプロキシの 1 つになる可能性があります。
Hoel のアイデアは、テキサス大学オースティン校の理論計算機科学者である Scott Aaronson を感動させません。彼は、因果的出現はその基本的な前提において急進的ではないと言います。 Foundational Questions Institute に対する Hoel の最近のエッセイ「Agent Above, Atom Below」(ロミオとジュリエットを特集したもの) を読んだ後、アーロンソンは次のように述べています。同意しない。はい、もちろん、予測を行い、予測に役立つ因果関係のストーリーを伝えるために、より高い抽象化レイヤーに渡したいと考えています。エッセイでは、その理由のいくつかを説明しています。」
除外の議論が、より高次の因果関係を把握する努力をいかに妨げてきたかを考えると、他の人にとってはそれほど明白ではないように思われました。ホエルは、彼の議論はアーロンソンが認めているよりもさらに進んでおり、次のことを示していると述べています。難しいのは「証明できる」部分であり、ほとんどの還元主義的思考とは正反対です。」
さらに、アーロンソンが示唆するように、因果的出現は、世界に関する私たちの記述や「因果物語」についての単なる主張ではありません。ホエルと彼の共同研究者は、エージェントやその他の巨視的なものだけでなく、より高いレベルの原因が存在論的に存在することを示すことを目指しています。この区別は、哲学者のデイビッド・チャーマーズが意識について行ったものに関連しています。神経回路がどのように複雑な行動を引き起こすかという「簡単な問題」と、意識のある存在と生命のないオートマトンを本質的に区別するものは何かを問う「難しい問題」があります。 「EI は、私たちが実際に持っていると感じている種類の因果力を測定しているか、私たちの意識的な経験や自己に持たせたいと思っている種類のものですか?」と、ニューヨーク大学の哲学者でチャルマーズの弟子であるヘッダ・ハッセル・モルヒは語った。彼女は、効果的な情報が「実際の存在論的出現を追跡できる可能性がありますが、これには、法律、権力、およびそれらがどのように関連するかについての新しい哲学的思考が必要です」と述べています。
Hoel と Albantakis に最も大きな打撃を与えた批判は、物理学者がこの考えを聞いたときに時々行う批判の 1 つです。ノイズは、物理学者がモデルが除外するすべてのものと呼んでいるものです。 「それは典型的な物理学の観点です。宇宙全体の正確な微視的状態を知っていれば、時間の終わりまでに何が起こるかを予測することができ、原因のようなものについて話す理由はありません. -効果パワー。」
1 つの反論は、宇宙の完全な知識は原理的にさえ不可能だということです。しかし、宇宙が自律的に進化する単一のユニットと考えることができたとしても、この図は有益ではありません. 「残されているのは、実体、つまり存在するものを特定することです」とアルバンタキスは言いました。因果関係とは、「この宇宙全体の状態のどこに、実体を構成する要素のグループがあるかを特定するために必要な尺度または量ですか? …因果関係は、宇宙に構造を与えるために必要なものです。原因を現実のものとして扱うことは、世界を理解するために必要なツールです。
アーロンソンが主張するように、より高いスケールはより低いスケールからコントロールを奪うことを、私たちは最初から知っていたのかもしれません。しかし、これらの科学者が正しければ、因果的出現は数学的にどのように機能するかです。 「ドアを割って開けたようなものです」とホエルは言いました。 「実際、そのドアが少し開いていることを証明することは非常に重要です。誰でも手を振って、ええ、多分、たぶん、などと言うことができるからです。しかし今、あなたはこう言うことができます。私が間違っていることを証明してください。」
訂正:この記事は 2017 年 6 月 1 日に改訂され、Erik Hoel は統合情報理論に関する Giulio Tononi の最初の共同研究者ではなく、Tononi、Hoel、および Larissa Albantakis は評価に使用される尺度を形式化したものの考案はしなかったことを明確にしました。因果的出現。
