前言
人類對(duì)于因果和因果關(guān)系的探索與追求，自人類文明起源開始，一直延綿至今。從上古時(shí)代人們對(duì)于動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)知，到現(xiàn)代人們對(duì)于各種現(xiàn)象之間本質(zhì)聯(lián)系的挖掘，因果關(guān)系貫穿了其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)前，幾乎所有學(xué)科的研究?jī)?nèi)容都離不開對(duì)因果關(guān)系的分析，因果關(guān)系成為當(dāng)代科學(xué)的基石之一。
但令人深思的是，這樣一個(gè)重要的基礎(chǔ)概念，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)卻一直處于朦朧和神秘的狀態(tài)。幾千年來(lái)，人們一直通過經(jīng)驗(yàn)和直覺來(lái)理解因果關(guān)系，從而形成了所謂的常識(shí)因果知識(shí)，直到20世紀(jì)初葉，仍然能夠看到有關(guān)因果關(guān)系的一些模糊的，甚至是相互矛盾的敘述。概念的含糊性和歧義性，并不影響人們?cè)诟鞣N場(chǎng)合毫無(wú)顧忌地談?wù)撘蚬�關(guān)系，但同時(shí)也難免會(huì)讓人們陷于各種各樣的爭(zhēng)論。這種現(xiàn)象在現(xiàn)代科學(xué)中即使不是絕無(wú)僅有的，也是極為個(gè)別的。
這種混亂的場(chǎng)面，到了100多年前才開始得到扭轉(zhuǎn)，在耶日·內(nèi)曼和羅納德·費(fèi)希爾等人的共同推動(dòng)下，對(duì)于因果關(guān)系的理解開始走向了科學(xué)的道路，因果關(guān)系這個(gè)充滿謎團(tuán)的神奇之物變得逐漸清晰起來(lái)。用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的語(yǔ)言描述因果和因果關(guān)系，終于使人們可以在一個(gè)共同認(rèn)可的基礎(chǔ)上討論因果關(guān)系。正如馬克思所說：“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了真正完善的地步。”對(duì)于因果關(guān)系的科學(xué)表述使因果關(guān)系從一個(gè)“自然之物”一躍成為“科學(xué)之物”，并且在眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究中獲得巨大成功，特別是醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理學(xué)、生態(tài)學(xué)、管理學(xué)等這些不便做隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)的學(xué)科。到目前為止，已經(jīng)在絕大多數(shù)學(xué)科中發(fā)現(xiàn)了因果關(guān)系的成功應(yīng)用，并且借助計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能的推動(dòng)，因果關(guān)系正在煥發(fā)新的青春和力量。盡管還有一些質(zhì)疑的聲音，但是總的趨勢(shì)已經(jīng)向著光明的未來(lái)前進(jìn)。
這本《因果漫步》將帶我們開啟這段因果認(rèn)知啟蒙和發(fā)展的漫步之旅，去感知人們對(duì)于因果關(guān)系的理解在歷史長(zhǎng)河中如何一步步地發(fā)生變化，以及因果關(guān)系是如何成為一個(gè)科學(xué)的研究對(duì)象的。在這個(gè)過程中，許多科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)，使得因果關(guān)系從一個(gè)有些玄奧的哲學(xué)概念變?yōu)榭梢苑治�、�?jì)算、評(píng)價(jià)和比對(duì)的學(xué)術(shù)概念，同時(shí)借助各種精巧的算法，還使得我們可以在復(fù)雜的環(huán)境變量中知道應(yīng)該做什么和怎樣去做，并由此得到關(guān)于因果關(guān)系的具體結(jié)論�？偠�言之，科學(xué)使得人們?cè)陉P(guān)于因果關(guān)系的認(rèn)知和應(yīng)用上產(chǎn)生了巨大的飛躍。
有兩個(gè)貫穿全書的重要概念：因果效應(yīng)和因果關(guān)系。因果效應(yīng)指的是原因變量對(duì)于結(jié)果變量的影響程度，而因果關(guān)系指的是這個(gè)程度超越了設(shè)定的閾值，具有了顯著性。兩個(gè)概念之間相互聯(lián)系而又有所區(qū)別。因果效應(yīng)是客觀存在的，具有數(shù)量上的刻畫，而因果關(guān)系則是根據(jù)問題的需要和對(duì)問題的理解而主觀設(shè)定的。因果效應(yīng)使得因果關(guān)系具備了量化性質(zhì)，而可量化的因果關(guān)系是現(xiàn)代因果關(guān)系研究的重要標(biāo)志。當(dāng)前普遍用概率統(tǒng)計(jì)的語(yǔ)言來(lái)描述因果效應(yīng)，因?yàn)橐粋�(gè)原因有時(shí)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)，有時(shí)可能不導(dǎo)致，即因果的發(fā)生是一個(gè)概率現(xiàn)象。常識(shí)因果論一般認(rèn)為“有因必有果”，即原因必然導(dǎo)致結(jié)果，但是現(xiàn)實(shí)世界是復(fù)雜的，在人們可以觀察的世界中，因果并不是必然發(fā)生的，而是“固然”發(fā)生的（金岳霖語(yǔ)），因此概率化的因果關(guān)系描述更加符合客觀實(shí)際，也比常識(shí)因果更為科學(xué)。只有使用了科學(xué)的觀察手段和描述方法，因果理論才能真正成為人們認(rèn)知世界的工具，進(jìn)而成為不同學(xué)科增添新方法的源頭和做出新發(fā)現(xiàn)的利器。
現(xiàn)實(shí)世界是復(fù)雜的，需要面對(duì)的因果分析問題通常是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，從中既簡(jiǎn)明又準(zhǔn)確地給出有關(guān)因果關(guān)系的結(jié)論是一個(gè)十分有意義卻困難的任務(wù)。例如一場(chǎng)山火，導(dǎo)致其發(fā)生的原因有很多，其中主要有兩個(gè):一個(gè)是火種的存在，一個(gè)是氧氣的存在。但是氧氣這個(gè)原因顯然不是因果分析所要針對(duì)的目標(biāo)，更需要針對(duì)的是那些不常發(fā)生的事情，也就是火種。毫無(wú)疑問，因果分析應(yīng)該符合人們潛在的期望，但是這種期望經(jīng)常處于一種朦朧和不清晰的狀態(tài)，有時(shí)候人們希望因果分析告訴人們自己都說不清楚的結(jié)果，這就導(dǎo)致了因果分析天生就具有某種非計(jì)算性質(zhì)和不確定性。全面的不分巨細(xì)的因果分析似乎并不是人們所追求的，試想一下，導(dǎo)致一場(chǎng)山火的原因多如牛毛，例如溫度、水汽、植被分布、風(fēng)向、風(fēng)力等，如果機(jī)器真的開列了1000條理由（這是經(jīng)常有的），這可不是什么好事，實(shí)際上只要知道一條，即火種的來(lái)源。那么我們追求的目標(biāo)究竟是什么，如何向計(jì)算機(jī)描述我們的期冀（這經(jīng)常因?yàn)槟繕?biāo)的不同而不同），成為因果分析中一個(gè)極其特別的問題，這也使得因果分析始終無(wú)法脫去哲學(xué)的外衣而成為一個(gè)純粹的學(xué)術(shù)問題。
2021年的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)與2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)都與因果關(guān)系有關(guān)，2021年的經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)授予三位在美國(guó)工作的經(jīng)濟(jì)學(xué)家，分別是加州大學(xué)伯克利分校的大衛(wèi)·卡德、麻省理工學(xué)院的喬舒亞·安格里斯特，以及斯坦福大學(xué)的吉多·因本斯，在頒獎(jiǎng)詞中，對(duì)卡德教授的表彰是“對(duì)勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)性貢獻(xiàn)”，而對(duì)安格里斯特教授和因本斯教授的表彰則是“對(duì)因果關(guān)系分析的方法學(xué)貢獻(xiàn)”�？ǖ陆淌谡�是應(yīng)用了因果分析方法解決了勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)學(xué)的諸多問題，這是因果分析在經(jīng)濟(jì)學(xué)中成功應(yīng)用的卓越案例。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·塞林格，以表彰他們“用糾纏光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證偽了貝爾不等式，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)”的貢獻(xiàn)。他們用實(shí)驗(yàn)說明，在量子世界里，“決定論”并不成立，因此以“決定論”為基礎(chǔ)的因果論也不成立，但是這并不意味著在宏觀世界范圍里的因果論的終結(jié)，因?yàn)槲⒂^世界和宏觀世界之間橫亙著一道墻，在墻的兩邊有著完全不同的風(fēng)景。盡管從理論上講，可以通過描述每一個(gè)量子的行為來(lái)描述宏觀物體的行為，但是實(shí)際上，這既不可能也無(wú)必要。人類幾百年來(lái)建立的描述宏觀世界的原理依然有效并且簡(jiǎn)明，因果關(guān)系依然是描述這個(gè)日常世界的基本法則。當(dāng)然，從量子世界到宏觀世界，隨機(jī)論如何過渡到因果論，即因果涌現(xiàn)的問題，是當(dāng)前人們關(guān)心的一個(gè)熱點(diǎn)問題。
本書總共分為4章，第1章講述了人類對(duì)于因果關(guān)系認(rèn)知的發(fā)展歷史脈絡(luò)，特別是中國(guó)的古代先賢們對(duì)于因果關(guān)系的樸素理解和精辟表述，比如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的哲學(xué)家墨子提出的“二故說”，描述了原因的充分性和必要性，早于亞里士多德的“四因說”。蘇格蘭哲學(xué)家休謨于18世紀(jì)提出類似的對(duì)于因果關(guān)系的表述，已經(jīng)相差2000多年了。文藝復(fù)興以后，諸多科學(xué)家在這個(gè)問題上的研究逐步深入，從古代的直覺主義過渡到現(xiàn)代的科學(xué)認(rèn)知。人類天生就具備因果抽象能力，但是要將因果形成一門科學(xué)卻并不容易，其中一些過程耐人尋味。第2章主要介紹了當(dāng)代因果關(guān)系的基本理論和分析方法，這些介紹主要基于2011年圖靈獎(jiǎng)得主朱迪亞·珀?duì)柼岢龅年P(guān)于因果分析的框架，同時(shí)也介紹了其他的一些理論與流派。珀?duì)査�開創(chuàng)的因果分析框架具有算法性特點(diǎn)，適合在計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，與其他理論相比也各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合應(yīng)用。第3章介紹了因果論中一些頗為有趣的專題，通過吸煙是否導(dǎo)致肺癌的爭(zhēng)論案例，討論了在復(fù)雜背景下如何通過有效地處理各種因素而找出真正起關(guān)鍵作用的原因。介紹了處理因果關(guān)系的幾種觀點(diǎn)以及統(tǒng)計(jì)因果分析的三大方法，即斷點(diǎn)回歸、雙重差分和傾向得分匹配。討論了如何根據(jù)問題性質(zhì)去確定和獲取所需要的實(shí)際原因，這些實(shí)際原因經(jīng)常因具有獨(dú)特性而被“一般的”因果分析方法所忽略，但在醫(yī)療、司法和決策中至關(guān)重要。第3章還介紹了在不完美實(shí)驗(yàn)中如何正確評(píng)估因果關(guān)系，這在觀察和實(shí)驗(yàn)研究中是經(jīng)常遇到的。第4章專門討論了因果分析與機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)系，這在人工智能中是一個(gè)躲避不開且亟須解決的關(guān)鍵問題，通過將因果分析引入機(jī)器學(xué)習(xí)，可以創(chuàng)造出更加“聰明”的智能體，并使其行為更加類似人類智能。因果分析與機(jī)器學(xué)習(xí)的“聯(lián)姻”，正在催生新一代的智能技術(shù)，并引發(fā)第二次因果革命。
寫一本具有普及性質(zhì)的“漫步型”書籍，對(duì)于我們來(lái)講是一種全新的經(jīng)歷，其中有許多挫折和起伏，對(duì)于因果關(guān)系的學(xué)術(shù)理解并不足以勝任這樣的一本書的編寫，熟悉內(nèi)容是一回事，能夠給讀者通俗地講出來(lái)并講好是另一回事。我們盡力處理好科學(xué)性與通俗性的平衡，但難免存在不當(dāng)或遺漏之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
十分感謝北京大學(xué)李曉明教授在本書寫作過程中自始至終給予的鼓勵(lì)和支持，感謝北京大學(xué)耿直教授、浙江大學(xué)吳飛教授、廣東工業(yè)大學(xué)蔡瑞初教授對(duì)本書提出的許多有益建議，使我們進(jìn)一步明確了這本書的基調(diào)和內(nèi)容。感謝梁知音老師細(xì)心地為本書創(chuàng)作了插圖，使得這本書增色不少。正是在他們的支持下，本書才得以出版，希望讀者能夠通過閱讀本書受益，增強(qiáng)對(duì)于因果關(guān)系研究的興趣。
作者
2023年3月