前言
人類對于因果和因果關(guān)系的探索與追求，自人類文明起源開始，一直延綿至今。從上古時代人們對于動物活動規(guī)律的認(rèn)知，到現(xiàn)代人們對于各種現(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環(huán)節(jié)。當(dāng)前，幾乎所有學(xué)科的研究內(nèi)容都離不開對因果關(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，這樣一個重要的基礎(chǔ)概念，長時間以來卻一直處于朦朧和神秘的狀態(tài)。幾千年來，人們一直通過經(jīng)驗和直覺來理解因果關(guān)系，從而形成了所謂的常識因果知識，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，并不影響人們在各種場合毫無顧忌地談?wù)撘蚬�關(guān)系，但同時也難免會讓人們陷于各種各樣的爭論。這種現(xiàn)象在現(xiàn)代科學(xué)中即使不是絕無僅有的，也是極為個別的。
這種混亂的場面，到了100多年前才開始得到扭轉(zhuǎn)，在耶日·內(nèi)曼和羅納德·費希爾等人的共同推動下，對于因果關(guān)系的理解開始走向了科學(xué)的道路，因果關(guān)系這個充滿謎團的神奇之物變得逐漸清晰起來。用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的語言描述因果和因果關(guān)系，終于使人們可以在一個共同認(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)只有在成功地運用數(shù)學(xué)時，才算達(dá)到了真正完善的地步�！睂τ谝蚬�關(guān)系的科學(xué)表述使因果關(guān)系從一個“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)濟學(xué)、心理學(xué)、生態(tài)學(xué)、管理學(xué)等這些不便做隨機對照試驗的學(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，并且借助計算機科學(xué)和人工智能的推動，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，但是總的趨勢已經(jīng)向著光明的未來前進(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，去感知人們對于因果關(guān)系的理解在歷史長河中如何一步步地發(fā)生變化，以及因果關(guān)系是如何成為一個科學(xué)的研究對象的。在這個過程中，許多科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)，使得因果關(guān)系從一個有些玄奧的哲學(xué)概念變?yōu)榭梢苑治�、計算、評價和比對的學(xué)術(shù)概念，同時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)使得人們在關(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)指的是原因變量對于結(jié)果變量的影響程度，而因果關(guān)系指的是這個程度超越了設(shè)定的閾值，具有了顯著性。兩個概念之間相互聯(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)計的語言來描述因果效應(yīng)，因為一個原因有時導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)，有時可能不導(dǎo)致，即因果的發(fā)生是一個概率現(xiàn)象。常識因果論一般認(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），因此概率化的因果關(guān)系描述更加符合客觀實際，也比常識因果更為科學(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)實世界是復(fù)雜的，需要面對的因果分析問題通常是一個龐大的系統(tǒng)，從中既簡明又準(zhǔn)確地給出有關(guān)因果關(guān)系的結(jié)論是一個十分有意義卻困難的任務(wù)。例如一場山火，導(dǎo)致其發(fā)生的原因有很多，其中主要有兩個:一個是火種的存在，一個是氧氣的存在。但是氧氣這個原因顯然不是因果分析所要針對的目標(biāo)，更需要針對的是那些不常發(fā)生的事情，也就是火種。毫無疑問，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，實際上只要知道一條，即火種的來源。那么我們追求的目標(biāo)究竟是什么，如何向計算機描述我們的期冀（這經(jīng)常因為目標(biāo)的不同而不同），成為因果分析中一個極其特別的問題，這也使得因果分析始終無法脫去哲學(xué)的外衣而成為一個純粹的學(xué)術(shù)問題。
2021年的諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎與2022年的諾貝爾物理學(xué)獎都與因果關(guān)系有關(guān)，2021年的經(jīng)濟學(xué)獎授予三位在美國工作的經(jīng)濟學(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，在頒獎詞中，對卡德教授的表彰是“對勞動經(jīng)濟學(xué)的經(jīng)驗性貢獻(xiàn)”，而對安格里斯特教授和因本斯教授的表彰則是“對因果關(guān)系分析的方法學(xué)貢獻(xiàn)”。卡德教授正是應(yīng)用了因果分析方法解決了勞動經(jīng)濟學(xué)的諸多問題，這是因果分析在經(jīng)濟學(xué)中成功應(yīng)用的卓越案例。2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(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)行的實驗，證偽了貝爾不等式，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)”的貢獻(xiàn)。他們用實驗說明，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)，因為微觀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量子的行為來描述宏觀物體的行為，但是實際上，這既不可能也無必要。人類幾百年來建立的描述宏觀世界的原理依然有效并且簡明，因果關(guān)系依然是描述這個日常世界的基本法則。當(dāng)然，從量子世界到宏觀世界，隨機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)心的一個熱點問題。
本書總共分為4章，第1章講述了人類對于因果關(guān)系認(rèn)知的發(fā)展歷史脈絡(luò)，特別是中國的古代先賢們對于因果關(guān)系的樸素理解和精辟表述，比如戰(zhàn)國時期的哲學(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年圖靈獎得主朱迪亞·珀爾提出的關(guān)于因果分析的框架，同時也介紹了其他的一些理論與流派。珀爾所開創(chuàng)的因果分析框架具有算法性特點，適合在計算機上予以實現(xiàn)，當(dāng)然，與其他理論相比也各有優(yōu)缺點，需要取長補短，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)系的幾種觀點以及統(tǒng)計因果分析的三大方法，即斷點回歸、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際原因，這些實際原因經(jīng)常因具有獨特性而被“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驗中如何正確評估因果關(guān)系，這在觀察和實驗研究中是經(jīng)常遇到的。第4章專門討論了因果分析與機器學(xué)習(xí)的關(guān)系，這在人工智能中是一個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，對于我們來講是一種全新的經(jīng)歷，其中有許多挫折和起伏，對于因果關(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，懇請讀者批評指正。
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，增強對于因果關(guān)系研究的興趣。
作者
2023年3月