PNAS 速递：具有微观-宏观双向因果关系的复杂系统动力学理论

集智俱乐部 · 公众号 · · 2025-01-07 18:24

正文

关键词： 跨尺度因果，双向因果，最大熵理论，非平衡动力系统

论文题目：Dynamical theory of complex systems with two-way micro–macro causation

论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408676121

期刊名称： PNAS

自然界的生态系统、社会中的经济网络，以及分子层面的化学动力学，都表现出多尺度动力学行为。其中微观变量（如个体行为、分子运动）与宏观变量（如种群数量、系统能量）间的交互尤为重要。然而，传统理论多采用单向因果关系：要么自下而上，由微观机制决定宏观现象；要么自上而下，通过宏观变量推断微观状态。这种单向分析在多尺度交互中有明显局限性。

近期发表于 PNAS 的一篇文章提出 跨尺度动力学最大熵理论（DyMES） ，为解决这一问题提供了新思路。作者结合信息论最大熵方法与微观动力学机制建模，创建能捕捉微观与宏观 双向因果关系 的框架。DyMES 通过动力学约束描述宏观变量如何影响微观状态，并推导微观变量分布的时间演化规律。

研究核心是动力学最大熵方法的扩展。传统最大熵方法优化分布熵值以推断微观变量分布，但通常假设系统处于平衡或稳态。DyMES通过引入时间导数作为约束条件，允许 在非平衡动力学系统中同时计算微观分布与宏观状态变化轨迹 。通过拉格朗日乘子和转移函数，该理论显式纳入跨尺度交互机制，避免静态模型对动力学系统预测的不可靠性，同时显著提高高维系统计算效率。

文章通过实际模型验证了 DyMES 的广泛适用性。例如，在生态系统中，种群数量通过竞争和排挤效应影响个体繁殖率，反过来影响整体动力学。DyMES 成功预测生态系统在外界扰动后缓慢恢复和时间序列红化（reddened）等特性。同样，化学动力学中的非平衡态分布也得以精确模拟。此外， DyMES揭示系统在扰动中可能存在两类稳态：与转移函数相关的拉格朗日乘数为零和非零的稳态 。前者为传统模型结果，后者展现了复杂系统因果关系的新维度。通过实际验证，DyMES的计算效率也明显提升。例如，高维生态模型计算时间减少了一个数量级。

DyMES的重要性在于解析复杂系统对扰动的响应特征。与传统模型相比，其预测系统恢复速度更慢但总响应更大，同时能捕捉扰动引发的稳态转变和时间序列特性。特有的迟滞效应和频谱变化不仅为理解生态系统动力学提供理论支持，也对气候变化和经济政策评估具有指导意义。

未来研究方向包括扩展 DyMES 处理更复杂的跨尺度因果关系，以及探索转移熵等信息测度的适用性，以进一步量化复杂系统中的因果链条。DyMES 的预测能力还需通过跨领域实验验证，以确认其适用范围。