Ross, Lauren N. 2022. “Cascade versusMechanism: The Diversity of Causal Structure in Science”. The BritishJournal for the Philosophy of Science 0(0). doi: 10.1086/723623.
1. 引言
哲学家们认为机制对科学解释很重要，这无可厚非。令人惊讶的是，他们认为它是唯一重要的因果术语。尽管科学家在解释中依赖各种各样的因果概念，但大多数哲学家认为所有这些概念都可以通过“机制”（mechanism）这一单一概念得到很好的理解。这种扩张性的机制概念在文献中占主导地位。文献中的直截了当的说法有1） 解释要么是非因果性的、要么是机制式的2） 将科学中的所有因果系统解释为机制的庞大研究计划（即使它们与其他因果术语有关）。
这些主流观点的一个重大挑战是，科学家们引用了各种因果术语，而这些术语并不都是机制式方案所能很好理解的。有三个特征通常被视为机制的特征：（1）构成关系，（2）精细的细节，以及（3）机制的相互作用。但是如果机制是具有特定特征的因果结构，那么其他具有不同特征的因果结构是否存在，应该是一个开放的问题。本文通过研究科学中的级联概念来探讨这个问题。本文认为，级联概念与机制概念有很大的不同，这种不同对我们理解科学中的因果关系和解释很重要。
本文对科学中的级联概念及其所指的因果结构进行了分析。我研究了这种因果结构的主要特征、与之相关的类比、以及用于研究它的策略。在进行这一分析之前，有必要做两点澄清。首先，我并不是说科学家总是以本分析中所指出的不同方式使用这些因果术语，而是说他们经常这样做，并且应该这样使用。其次，我对这些概念的分析清楚地阐明了它们的不同方式，但为科学中的一些结构留下了边界空间。这种情况的存在不应妨碍我们阐明有用的类别，在大多数情况下区分因果结构，即使这种区分（在极少数情况下）可能是模糊的。
这个项目与机制式分析的一个不同之处在于，它在更广泛的科学领域中研究因果概念，而不仅仅是生物学和神经科学。虽然本文论证了这些因果概念之间的区别，但它并不否认机制在科学解释和推理中发挥的重要作用。所否认的是更强烈的主张，即机制是对科学解释来说唯一重要的因果概念，所有其他因果术语都可以被解释为机制，以及所有因果解释都符合机制式模式。
2. 科学中的因果关系和机制（causationand mechanism in science）
在当前的哲学文献中，通常使用“机制”来描述一种因果结构，而不具体说明因果关系。说某种效果有一个“机制”，表明至少有1）一些因果因素（causal factors）相互作用而产生这种效果，而不是一个单一的原因。然而，2）并没有说明应该如何理解各因素之间的这种因果关系。
我们常常认为“机制”所传达的内容不止于此。哲学上对机制的描述是在捕捉更多的东西。机制的第一个特点是它们是构成性的，即包含构成“整体”机制的因果“部分”。这样一来，科学机制经常被比喻为机器，比如汽车引擎，其中一个离散的系统是由组成部分组成的。第二，机制会捕捉到细微的因果细节，而不是高度抽象的关系。这与机制应该提供一些关于一个原因“如何”产生其结果的信息有关，而不是省略、抽象或“黑箱化”这些细节。第三，机制中的因果关系常常用强调力、行动和运动的机制语言（mechanical language）来描述。这包括说明一个原因“推动”（pushes）或“拉动”（pulled）另一个因素，而不是仅仅说它“导致”某种效果。
机制还经常被用特定的方法进行研究。正如许多哲学家已经指出，机制是用分解（decomposition）和定位（localisation）来研究的。这些方法涉及到指定一些解释目标，然后“向下钻”以确定产生这一目标的较低层次的组成部分。除了支持机制概念的还原性和层次性之外，这些方法还揭示了两个额外的特征。首先，机制是相对于单项效应而言的，并由单项效应来定义。第二，机制被视为相对离散的系统。
然而，机制最好被理解为各种类型的因果结构中的一种。探讨这一主张的一个方法是研究科学家在描述和解释自然现象时使用的因果术语。这些术语包括诸如“级联”和“路径”等因果术语，哲学家们传统上将其解释为机制。本文对“级联”的概念和结构进行了分析，认为它与机制的概念有着重要的区别。在接下来的两节中介绍和考察了级联概念之后，我探讨了这个概念与机制的不同之处，以及为什么这对因果解释的哲学描述很重要。
3. 级联概念：简介
在物理学和化学中，我们发现了碰撞级联、氧化级联和级联液化。与机制类似，级联符合标准（1），因为它们包含多个原因，共同产生一个结果，而不是一个单一的原因。然而，与机制相比，级联有自己独特的特点、类比和因果研究方法。
究竟什么是级联？我将提出，级联是涉及（i）初始触发（initial trigger）（ii）序列增强（sequentialamplification）以及（iii）从开始到结束的稳定渐进（stableprogression）的因果系统。这些过程的一个关键特征是，它们涉及增强步骤，将一个小信号转化为巨大的、爆炸性的效果。这些系统被类比为雪崩、雪球效应和涟漪效应，这些都涉及到一个小的原因引发一个大的结果。
生物学中曾提出血液凝固的“级联”模型。这些理论不再是单一的酶系统，而是提出了一个“多因素理论”，涉及到酶激活的八个步骤，其中一种酶激活另一种酶，而另一种酶又激活另一种酶，以此类推，串联起来。这个新理论表明，血液凝固涉及许多因素，这些因素是连续启动的，最后的酶相对于起始物质是放大的。
这让人想起光电倍增管的原理，即一个电子撞击第一个数码管会释放出更多的电子，每个电子在撞击第二个数码管时又会释放出更多的电子，以此类推，正是这种类比促使我们在这里使用“级联”一词。此外，这个概念也可以应用于其他系统。
4. 级联概念：特点
要更好地理解这个概念，需要了解它的三个主要特征(i) 初始触发，(ii) 序列增强，以及(iii) 从开始到结束的稳定渐进。
4.1. 初始触发
级联的第一个特征是，它们涉及一个初始触发。触发器的概念抓住了一个单一的主要原因，它具有二进制值，并可靠地产生一些感兴趣的结果。它被表示为一个单一的、二进制的开关。因果触发器被看作是一个结果或步骤序列的重要“第一”或“起始”原因。这些因素标志着一个级联的开始。触发器与其他原因的区别在于，它位于相关因果步骤的上游，并且产生其效果的可能性很大。因果触发器通常具有二进制的“开关”值，它们要么启动，要么不启动，没有中间环节。即使触发器可以采取一套连续的数值，科学家也会确定一些阈值来区分“开”与“关”。
因果触发器的一个重要特征是，它们对自己的影响有很大的控制力，往往以很高的可能性产生这些影响。由于这一点，科学家声称这些原因具有“强大”的影响力，并“启动”了因果过程。它们被视为更有解释力，并且比其他原因“更好地预测”下游结果。这是因为这些是不与其他因素分享因果力的单一原因，它们可靠地产生一些下游效应（downstream effect），而且在级联的情况下，它们产生某种大的效应。我们也在科学级联被类比的因果系统中看到这种触发特征。雪崩是由少量的降雪触发的，而涟漪是由一滴水触发的。
4.2. 序列增强
级联的第二个（也许也是最重要的）特征是序列增强。增强指的是一种情况，在这种情况下，少量的原因会产生一个增强的或大量的效果。在单一因果步骤的范围内，应该区分两种类型的增强。对于某些因果因素，放大可以包括：（1）单一效应的数量增加，即单产品增强（single-productamplification）或（2）不同效应类型的数量增加，即多产品增强（multi-productamplification）。单产品增强的例子可以是一个酶a让酶b的数量增加。多产品增强的一个例子是自然灾害，如地震可能会带来火灾、洪水、山体滑坡等。在多产品增强中，一个原因会影响许多不同的效果，但不一定会增加它们各自的价值。单产品和多产品增强都是指一对多的因果情景，即每一个单位的原因会产生许多单位的效果。
增强通常被表示为一个连续的属性，而不是全有或全无。例子有电路的增益、经济学中的系数概念、流行病的R0指数等。
虽然增强作用可以发生在一个单一的因果步骤，但级联涉及到这些增强步骤的序列。
这产生了增加的增强作用，因为当增强者（amplifiers）连续组织（organised in succession）时，系统的整体“增益”等于每个步骤的增益的乘积。例如，如果一个单位的酶a产生十个单位的酶b，一个单位的酶b产生十个单位的酶c，整个过程的收益为一百（每一个单位的a产生一百个单位的c）。
4.3. 稳定渐进
这个特点指的是，一旦启动，级联涉及的力量就会延伸到其因果步骤的序列中。换句话说，因果触发器（causal trigger）的变化“推动”了随后的步骤，因此，一旦一个级联被触发，它的步骤序列（sequenceof steps）就会以高概率展开。
每个步骤中不断增加的反应性产品可以使下游步骤更有可能，因为有更多的反应性因素可用于产生下一个结果。这有时被称为连锁反应，其中一个反应的效果推动了另一个反应的发生，以此类推，以一种自我维持的方式。这种稳定渐进特点的一个含义是，一旦启动，级联反应就很难停止。它们有可能“失控”或“变得不受控制”。这与雪球效应的描述非常相似，在雪球效应中，一个小的降雪会引发一个不断增长的、不可避免的雪崩。正如Stein所说，“级联是指一个过程，一旦开始，就按部就班地进行，达到其全部的、似乎不可阻挡的结论……级联的危险在于它可能被不适当地触发……一旦被触发，它几乎不可能停止。”
几乎可以说，一旦被触发，它们就注定要运行到结束。这些因果系统的力量是非常有用的，也是非常危险的。这些特点使我们能够有目的地启动一个因果过程，以一种几乎不可能停止的方式产生结果。而且，出于同样的原因，我们要确保我们不会以一种会导致灾难性结果的方式意外地引爆它们。
5. 级联与机制
级联和机制到底有什么不同？这个问题的一个答案涉及到引用这些因果结构的不同特征和类比，这已经讨论过了。机制涉及构成性关系，级联则没有。级联被类比为雪球效应，机制被类比为机器，等等。虽然这些因果结构之间有许多不同之处，但明确地更详细地讨论其中的几个问题将有所帮助。
5.1. 差异
这些概念之间的第一个区别是，级联缺乏机制的构成性（constitutive）、部分整体性（part-whole）特征。机制有层次结构（hierarchical structure），其中低层次的部分产生整个机制一些高层次的结果。另一方面，级联在其原因和效果方面是不分层次的。级联可以有同一层次的原因和效果，较高层次的原因产生较低层次的效果，较低层次的原因产生较高层次的效果。此外，机制的层次性有助于认为它们是“离散的”系统，较低层次的部分包含在较高层次中。级联并不局限于此，它们可以从一个系统溢出到另一个系统，因为它们在某些领域中产生了涟漪（ripple）。对于级联，重点在于从上游到下游的因果影响级联什么意思，而不局限于层次，也不总是自下而上的。级联的因果影响最好被理解为“不同”因素之间的关系，而不是“整体和部分”。
第二，级联和机制是用不同的研究方法研究的。回顾一下，机制的研究是通过分解和定位来进行的，这涉及到固定一个解释目标，然后向下钻研以确定其较低层次的因果部分。由于各种原因，级联没有以这种方式进行研究。首先，如上所述，级联并不总是有较低层次的原因。级联中的因果因素可以延伸到许多不同的层次和尺度上。其次，固定解释目标的第一步不适合于级联，因为与机制不同，它们并不总是与单一结果相对。我们在具有多产品增强作用的级联中看到这一点，其中产生了许多效应。另一个区别是，当研究级联时，它们的整套效应并不总是已知的，而是科学家想要发现的一部分。对于级联，更好的方法不是从效果开始，而是从触发器开始，然后扩展到确定产生了什么效果。这需要有一个全系统的视野，这与对离散机制的局部关注形成对比。
最后，研究级联涉及到机制中不一定存在的其他挑战。由于一旦启动级联就很难停止，所以通常会把重点放在对因果触发器的实验操作（experimental manipulations）上。级联的放大和稳定发展促使人们采取其他手段来控制这些系统。也有一些人在努力确定中间原因和背景因素，即使触发器已经启动，也可以通过操纵来控制级联的发生。
第三，与机制不同，级联不包含机制或其他类型的精细因果细节。不同的哲学家建议，识别一个“完整的”机制需要指定存在于因果联系中的活动。过于稀疏的模型不能满足机制式的标准，因为人们“忽略了节点是如何产生、支撑或维持现象的”。澄清“如何”产生效果的原因在很大程度上是机制的事情。级联则不然。级联反映了一个原因对其影响的“增强”，但它们不需要详细说明“如何”发生这种增强。首先，当级联具有解释作用时，其较低层次的机制式细节对于解释来说往往是不必要的。在这些情况下级联什么意思，起解释作用的是一对多增强作用的存在，而不是增强作用如何产生的细节。扰乱黄石国家公园的灰狼种群会导致营养级联，因为它们在生态系统中处于一系列相互联系的位置。在灰狼的营养级联中，你不需要知道麋鹿如何消耗柳树和其他植物物种的因果机制细节，你只需要知道它消耗了许多物种，而不是少数。区分这些因果结构也很重要，因为，在某些情况下，级联信息可以解释，而机制信息则完全无法解释。考虑COVID-19和其他传染病的级联式传播。COVID-19可以通过不同的空气传播机制（例如，说话、咳嗽、打喷嚏）、接触被污染的物体（例如，门把手、共用餐具）等进行传播。在这些情况下，级联结构是有帮助的，因为它表明传播是一对多的，而不是一对一的。这很重要，因为它意味着疾病更容易传播，更难控制，而且早期遏制是关键。所有这些都是共享的高层级联结构的影响，而不是低层机制。如果你想解释COVID在这些情况下的传播，你就不能求助于低层次的机制，因为它们在这些情况下是不同的。然而，我们可以求助于级联因果结构，因为它在这些案例中是共享的，而且它抓住了这种因果传播的主要特征。
第四，虽然机制是层次意义上的离散系统，但级联的开始和结束却有更精确的定义。机制式哲学家声称，机制的起点和终点是由实用的、背景性的因素决定的，不代表世界上的自然划分。一个机制的界限可以根据目标、兴趣和解释目标而改变。对于级联，不管涉及到什么实用性和背景性的考虑，我们知道它们的开始和结束都有客观的特征。级联以一个小的因果触发器开始，以一个大的下游效应结束。
关于级联和机制的不同，还有很多东西可以说。讨论的一种方式是对可能针对这一分析提出的潜在反对意见作出回应。
5.2. 潜在的反对意见
第一种反对意见指出，本文的讨论仅仅是语义上（semantic）的或术语上（terminological）的。这可能被用来暗示这种分析是微不足道的。谁在乎一个因果结构是用一个名字还是另一个名字来指代？谁会在乎我们是否把一个因果系统称为“级联”或“机制”？虽然对这些结构如何命名有重要的争论，但这偏离了激起这一分析的更深层次的问题，这些问题被视为哲学的基础。这些问题包括：世界上存在哪些类型的因果结构？这些结构是否具有解释力？对这些问题的主流回答引用了机制，所以我们有义务问什么是机制，以及它们指的是什么因果系统。本文回答了这些问题，具体说明了两类因果结构，它们在科学中被确认，并在科学解释中出现。这些问题并非微不足道或无足轻重，而是被视为哲学中的基础问题。
第二种反对意见声称机制比级联更具解释力。这通常是出于还原机制的立场，该立场认为机制精湛细腻的、较低层次的细节提供了增强的解释力。对这一反对意见的第一个回应认为，对于许多解释目标来说，机制的细节是不必要的，而级联信息可以解释。在这些情况下，起解释作用的是一对多增强作用的存在，而不是这种增强作用是如何产生的细节。在这些情况下，机制性的细节可以包括在内，但它们不会增强或改善解释。
对这种反对意见有一个更有力的回应是指出在某些情况下，机制信息在减损解释的意义上是无法解释的，而级联结构可以解释。当一组系统共享一个级联结构，但有不同的机制来实例化这个结构时，就会出现这种情况。这在对COVID在不同地点的级联式传播的解释中可以看到，尽管传播的因果机制细节在不同的环境下有所不同。这些系统表现出类似结果的原因不是由较低层次的机制来解释的，这些机制在不同的系统中是不同的。它是由所有情况下共享的一对多的级联结构来解释的。我们还可以用更广泛的方式来说明这一点。为什么营养级联、酶级联和物理学中的级联反应都能产生大量的某种效应？这并不是因为它们都有共同的低层次机制。对这一点的解释是，所有这些系统都有相同的高层次级联结构，其中一个触发的原因启动了一些由一到多个因果增强步骤组成的序列。
对这种分析的第三种反对意见拒绝了这些区别，并声称我所说的“级联”实际上是一种机制。这代表了一种扩张性的机制式立场，因为它提出所有（或大多数）因果结构都被很好地理解为机制。这是文献中常见的主张。在这种观点中，机制包含了级联结构，级联被看作是机制的类型。
以下是我认为我们应该如何回应这一反对意见。作为哲学家，我们可以自由地以我们喜欢的方式来定义机制。如果我们选择以这种广义的方式来定义机制，就会有各种弊端。为了了解这些缺点，请考虑以下几点。随着科学家们对世界的探索，他们发现了各种因果结构，他们把这些结构彼此区分开来。有些因果系统有构成关系，其他的则更多是线性的，有些有放大效应，有些则没有，等等。这种扩张性定义的部分内容是，所有这些因果结构都被很好地理解为机制。然而，如果所有这些结构都是机制，而且它们有不同的特征，以至于没有一个是机制概念所特有的，那么机制就只是意味着“复杂的因果结构”，我们不妨用这个来代替它。因此，机制的广义定义的第一个问题是，我们失去了’机制’比’复杂的因果结构’更多的意义，我们通常认为它传达的内容比这更多。
第二个问题是，这种广义的机制概念未能准确捕捉到科学家如何使用因果术语。有时被忽视的是，科学家们常常期望对机制的描述包含重要的因果细节。对于级联概念，科学家们常常明确承认他们关注的是一个较稀疏的因果结构。科学家们将“机制”一词保留给高度详细的系统，这给声称它可以与“级联”等概念“做同样的工作”的说法带来了压力。
第三，如果我们采用这种广泛的机制概念，我们就失去了类比和类比推理的效用。机制和级联概念的一个好处是，它们是源于我们在日常生活中熟悉的因果系统的“语言标签”（linguistic labels）。利用熟悉的因果结构的知识，是使科学中复杂的因果系统在认知上更容易被接受的有用方法。这些概念的使用必然取决于听众的背景知识，这意味着如果使用不当，这些概念会误导人，或者在适当的时候引用这些概念会促进理解。
如果机制意味着一切，它就开始变得毫无意义。事实上，在某些情况下，“机制似乎只是解释任何发生的事情”。人们对这种机制的概念是否能捕捉到科学中因果结构的多样性以及它是否能公正地对待机制概念本身存在很大的担忧。毫无争议的是，如果机制的概念要发挥任何作用，我们肯定要对什么不是机制有一些认识。按照这种思路，如果机制不仅仅是因果结构的同义词（这将使机制概念变得微不足道），就应该清楚哪些因果结构算作和不算作机制。
我们的世界包含不同类型的因果系统，这是一个我们无法否认的事实。有些因果关系是线性的，有些则是分支的；有些原因是快的，有些则是慢的；有些原因是强的，有些则是弱的；有些是稳定的，而有些则是敏感的。在科学和日常生活中，我们关心这些区别，因为具有不同特征的因果结构有不同的影响。它们对世界上的结果提供了不同类型的控制，鉴于我们的兴趣，这些或多或少都是有用的。科学家要研究和欣赏这些区别，不管它们被称为什么。
6. 结论
本文提出了一种理解科学中因果结构和因果解释的新方法，但它也打开了许多有待解决的问题。例如，特别是关于级联的概念，还有很多话要说，包括它在不同的背景下会有什么不同，它与系统内的相互联系（以及冗余、模块化等概念）有什么关系，以及背景条件在支持级联式反应中的作用。应该清楚这种结构与“蝴蝶效应”、正负反馈环以及涉及因果抑制而非放大的系统之间的关系。虽然其他工作已经论证了路径概念的独特性，但探索是否存在其他非机制性的因果结构将是具有启发性的。捕捉这种多样性是必要的，这样才能对世界的因果结构有一个准确的概念，才能全面了解我们在识别这种结构时使用的方法和推理，才能在向各种受众传达这种结构时有一个现实的起点。
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