一群蚂蚁可以相互合作，用身体搭建起能够跨越缝隙的桥梁；成千上万只飞行的小鸟，可以在空中组成复杂的队列；磁性从数以亿计的电子的排列中产生；微小的水和空气分子形成飓风……自然界充满了这种由相对简单的元素自发产生的复杂行为的例子。

为了描述这些令人困惑的自组织现象，研究人员创造了“涌现”一词。一些涌现现象是以从复杂的内在产生简单的外在的形式出现的。外在的简单与内在的复杂并不矛盾，事实上二者相辅相成。温度、密度和压力都是相对容易测量的，但它们实际上是源自于数量极其庞大的原子和分子的运动和排列。即便我们可以对每个粒子进行独立追踪，谈论单个分子的温度也是没有意义的，只有速度的整体分布——这样一种集体属性，决定了温度、密度和压力。

复杂如何产生简单？这是现代科学的一个重大问题。它看起来就像是魔术一样，一堆原子集体性地做了单原子无法独立做到的事情。一些涉及到极高复杂性的其他类型的涌现，也都是从简单的元素中产生和传播的，例如生命，它们来自于早期地球上的简单的、生命起源之前的化学。

涌现有不同的含义，具体取决于要用它来描述什么。有时，“涌现”仅仅是简单地表示“发生”或“出现”，但在更专业的语境下，涌现的概念通常被分为“弱”和“强”。

弱涌现所对应的情况是，整体只是看起来超越了各部分的总和，但只要具有足够的知识，整体就可以等于各部分的总和。弱涌现系统的难以跟踪和难以预测，是因为它们的复杂性，而不是因为它从根本上是新的。一些哲学家甚至认为，所有表观上的涌现都是弱涌现，它在很大程度上是由人类的视角和知识的局限性带来的幻觉。

强涌现适用于整体真的大于各部分之和的系统，这意味着我们不能仅基于对整体的某个组成部分的理解，来理解或预测强涌现系统的性质。强涌现的证据可能包括出现新的物理定律，比如时间不对称性或超导性。有些人认为，化学本身就是一个强涌现的例子，因为化学性质似乎不能完全从亚原子粒子中推导出来。

在过去的十年里，许多学科都在涌现方面进行了大量的研究。 

物质的相变，就是一个物理学中的涌现行为的例子，这也是一个最容易观测的性质。冰、水、水蒸气都拥有相同的化学性质，但它们的物理性质却截然不同。近年来，凝聚态物理学家发现了大量新颖的、独特的、神秘的物质的相，包括软物质、超导体、拓扑相，甚至时间晶体。其中，许多的这些物质的相的性质，似乎并不能根据它们的分子组成来预测。

涌现也可以是广义相对论和量子场论之间的表观关系。我们知道，广义相对论和量子场论是物理学中两个非常成功，但同时又相互矛盾的理论。一些更深层的备选理论认为，时空并不存在于最基本的层面，而是从更基本的组件的相互作用中产生的。同样，一些理论家认为，三维空间可能源自于二维曲面上的量子相互作用。

在生物体中，复杂性是显而易见的。生物学中的许多问题都可以追溯到复杂系统是如何从更简单的组成部分发展而来的：生命是从化学中涌现的；多细胞生物是从单细胞实体中涌现的；群落是从个体中涌现的；思维是从相互连接的神经元中涌现的。

生物进化是作为一种涌现现象来研究的，近期一些研究正努力想要知道，一些自然选择筛选的基因变化，是否并不是完全随机的，而是通过大量的突变机制涌现的。

涌现的概念有助于生物学家在完全不同的尺度上探讨问题，从基因组中的分子到整个生态系统。科学家正在努力开发新的方法，来模拟和预测从集体分子运动到动物群体等各种活跃系统的行为。

化学可以被用来研究和理解涌现。首先，这是因为化学有一套相对没有争议的、明确的、有经验支持的理论和现象描述。其次，通过量子化学的表述，化学与量子力学之间建立了一种定义明确的科学联系，从而为我们提供了强有力的材料来阐明量子化学与基础物理学的联系。第三，与生物学不同，化学没有围绕生命或意识本质的难题，因此我们可以专注于化学实体与基本物理粒子之间相互作用的方式。

化学假定了各种超越了原子和分子本身的性质和过程。化学反应就是这样一个例子。在化学哲学中，化学反应主要是根据它们向化学家提供的解释的形式来研究的。然而，就它们与基础物理学的关系而言，它们还没有被广泛地从哲学角度进行检验。在某种程度上，这包含一个隐含的假设，即我们应该理解原子和分子与它们的量子力学成分之间的关系，没有必要研究化学反应与物理学之间的关系。 

但事实并非如此。虽然化学反应在某种意义上确实只是描述原子和分子之间的化学转化，但它们也可以被认为是包含化学、量子力学和热力学等丰富的多样信息的过程。所有这些科学是如何结合在一起的，这对化学和物理之间的关系意味着什么？这样的问题可能会导致新的方法来理解化学中的还原和涌现。

许多领域是在不同的尺度上讨论涌现的。自上而下建模的方法（例如，从可观测的星系或社会等复杂系统的行为开始）往往最终会与自下而上建模的方法（从单基因或亚原子粒子开始）产生分歧。

在物理学中，量子力学自下而上的发现与广义相对论的自上而下的观察之间的脱节清楚地表明，我们缺乏统一的物理理论。哲学家和科学家仍在努力弥合各种见解和随之而来的弱点，自上而下和自下而上的方法都可以给我们带来理解宇宙中一些最大和最小的问题的线索。

作为一个科学概念，涌现也有它的批评者，他们认为它的信息量太小，没有什么大的用处。但至少，涌现有助于解释为什么科学家能发现在自然界中的不同尺度上运行的物理定律和过程的等级。

跨尺度、跨层次的涌现是复杂系统研究的关键问题，生命起源和意识起源这两座仰之弥高的大山是其代表。而因果涌现理论、机器学习重整化技术、自指动力学等近年来新兴的理论与工具，有望破解复杂系统的涌现规律。同时，新兴的因果表示学习、量子因果等领域也将为因果涌现研究注入新鲜血液。

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因果涌现读书会启动：连接因果、涌现与自指——跨尺度动力学与因果规律的探索

因果、涌现与机器学习：因果涌现读书会第二季启动