因新冠去世的数学家,留下关于生命、宇宙和一切的思考

2022-08-01 10:19:52 阅读 999 次

因新冠去世的数学家,留下关于生命、宇宙和一切的思考-湛庐

因新冠去世的数学家,留下关于生命、宇宙和一切的思考-湛庐

"被称为“当代最有趣的数学家”的约翰·康威John Horton Conway,在两年前因为新冠肺炎逝世(1937年-2020年)。

有人评价说,世界上可能有比约翰·康威更厉害的数学家,但是在顶尖的数学家里,没有人能比他科普做得更好

除了在数学领域多点开花,约翰·康威更是一个在组合博弈论、几何、数论、群论、算法甚至量子力学理论等多个方面都做出贡献的天才数学家。但是他却说:“我从没有工作过一天,而是都在玩”。"

约翰·康威不仅热爱发明数学游戏,就连他的传记名字都叫做“Genius At Play”,游戏人生的天才。

在科普领域,约翰·康威最广为人知的发明就是“生命游戏”Game of Life。简单地说,生命游戏是一种平面的细胞自动机模型,可以在平面的世界上构筑出某种类似生命的形态

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如果大家有兴趣可以去这个网站

【https://bitstorm.org/gameoflife/】

试试创造自己的“二维生命”

在一张网格上,由涂黑的网格代表一个“存活”细胞,细胞死亡状态下网格变为白色。在此基础上,基于某种“生命法则”,以“一个细胞的生死由周围的细胞数量决定,模拟对资源的争夺和消耗等情景”。

研究者和爱好者也可以用电脑程序来模拟这一过程。

01

什么是生命游戏?

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正如开头所说,在一个空白的网格里,涂黑一格就表一个细胞单位存活,白色则代表死亡或细胞不存在。据维基百科记载,生命游戏的其他规则如下:

**1.**每个细胞有两种状态 - 存活或死亡,每个细胞与以自身为中心的周围八格细胞单位产生互动(黑色为存活,白色为死亡);

**2.**当前细胞为存活状态时,当周围的存活细胞低于2个时(不包含2个),该细胞变成死亡状态(模拟生命数量稀少);

**3.**当前细胞为存活状态时,当周围有2个或3个存活细胞时,该细胞保持原样;

**4.**当前细胞为存活状态时,当周围有超过3个存活细胞时,该细胞变成死亡状态(模拟生命数量过多);

**5.**当前细胞为死亡状态时,当周围有3个存活细胞时,该细胞变成存活状态(模拟繁殖)。

在这一规则下,不同的初始细胞分布会产生很多不同的状态,除了稳定停止的“稳定状态”以外,还有保持对称并且持续变化的“振荡状态”,而看起来最为迷人的是,是一种“会移动的振荡状态”。在英语中,它们被分别称为“静止生命”,“振荡器”和“宇宙飞船”。

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“滑翔机”的不同形态

处于第二种震荡状态时,这些二维图形会产生循环,例如最著名的循环之一,“滑翔机”。与之相关的另一个更精致的配置被称为“滑翔机枪”,它能产生无穷无尽的滑翔机。

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“滑翔机枪”

第三种会移动的震荡状态,例如右五连能产生一系列复杂的模式。如果我们在大型网格上重复运行模型超过1000次,这个右五连会生成许多滑翔机、闪光灯以及其他一些较小的稳定配置。游戏也可以产生随机性。因此,生命游戏可以根据初始状态产生任何类别的结果

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这种能力甚至引发了一些哲学问题。生命游戏由排列在网格上的、只有两种状态的细胞组成,并运用简单的规则进行更新。我们可以把初始模式视为输入,根据规则产生的结果则可以解释为计算。

因此,我们可以在这个模型和人类的大脑之间进行一个粗略的类比,因为人类的大脑也是由依赖于基于阈值规则的、在空间上相互连通的简单组成部分构成的,尽管那些规则要复杂得多。

02

生命游戏有多重要?

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“生命的游戏”是决定论的一个简化模型,让解释庞大世界运作规律的复杂理论,可以在较为简明的思想维度上被反复讨论和实验。

在解释生命游戏为什么如此重要之前,我们应该先讨论决定论。决定论的支持者认为,某一时刻的事实,包括每个粒子的位置、质量、方向、速度等会决定下一时刻发生什么,以此类推,接连不断。

物理学家和哲学家花了上千年的时间来争论我们的世界是不是决定性的,是否有一些真正的未确定的事件,比如没有任何原因所导致的完全不可预测的“随机”事件的发生

康威和他的学生们设计并证明了:在生命游戏中创造出一个以“决定性”为前提的,能够自我复制的物体是可能的。他们设计的东西可以完美地复制出一个新的自己,而复制品会继续复制,直至无穷,每一个原胞的生死和“繁殖”,都由周围的其他原胞决定。

作为极端抽象的二维模拟实验,生命游戏帮助研究者回答一个生物学的核心问题:一个可以自我复制的东西所需的最小复杂性是多少?与此同时,它还是一架通用图灵机。原则上说,它可以运算一切能在计算机上运算的函数!

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康威在玩生命游戏。| 图片来源:Kelvin Brodie / The Sun News Syndication

事实上,生命游戏的诞生受到了冯·诺依曼的启发。诺贝尔生理学或医学奖获得者弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在1953年发现了DNA的结构,但当时的科学家还不能解释DNA的工作原理。为此冯·诺依曼非常详细地设想过一种漂浮机器人,它可以利用一些零散的碎片来制造自己的复制体,并不断重复这一过程。

他还描述了一个自动机是如何读取它自身的设计图、并将其复制到它创造的那个新个体中去的。他很具体地预见到了后来所发现的DNA表达和复制机制。

为了让自动机在数学上既严格又易于处理,冯·诺依曼把问题转换到了简单而抽象的二维平面当中,这就是著名的细胞自动机。生命游戏中的那些小方格就是细胞自动机的一个恰当实例。

康威和他的学生们想要具体地证明冯·诺依曼的理论,他们打算创造出一个具有简单物理定律的二维世界,并在这个世界中创造出一个可以稳定地进行自我复制的装置。

像冯·诺依曼一样,他们希望自己的答案尽可能地一般化,这样才能最大限度地独立于现行的物理学与化学。他们需要的是极为简单的东西,既容易想象又容易计算,所以他们不仅把问题从三维世界转换到二维世界,并且还把时间与空间完全由“时刻”与“方格”的数量来代替。

冯·诺依曼曾在图灵机设想的基础上,详细设计出了通用存储程序串行处理计算机,现在我们把它称作冯·诺依曼机,还精彩探讨了这样一个计算机所需要的空间和结构特性。冯·诺依曼已经意识到,在原则上我们可以在二维世界中制造一台图灵机,并对此给出了证明。而康威和他的学生们也打算在他们设计的二维世界中证实这一点。

03

生命游戏的意义

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丹尼尔·丹尼特

丹尼尔·丹尼特在《直觉泵与其他思考工具》中解释说,“生命的游戏可以阐释很多重要的原则,我们可以用它来构想许多不同的论证或思想实验,但在这里我只想指出其中3点,其他的留给大家自己去发掘”。

**1.**在生命游戏中,物理层面和设计层面之间的差异是怎样变得模糊起来的。

我们可以利用类似滑翔机这样的简单结构制造更复杂的功能性结构,但这些基础的小配件无需设计发明出来,它只是我们在生命游戏的物理学预设中发掘出来的。

在生命游戏的世界中,所有东西都是严格地蕴含在它的物理学和那无穷无尽小方格的构造中,通过那套简单的定律我们可以直接从逻辑上推出这一结论。只不过,在那个世界中有某些东西看上去比别的更加奇妙,更加令理解力低下的我们无法预料而已。

有些人认为,康威的那台可以进行自我复制的计算机,也就是这条像素银河也“仅仅”是一个生物大分子,只不过其运动周期极长、极复杂。

**2.**生命游戏的世界是决定论的,我们可以预测所有可能图案的未来,但奇妙的是,它们的过去往往完全是个谜!

想想由四个开着的方格组成的静止生命吧。不管是观察它还是它的相邻方格,你都无法从中获悉它过去的状态。说到这一点,请注意,只要那四个方格中有三个开着,那么在下一刻它们就都将是开着的,“静止的生命”就会出现。而过去到底哪一个方格是关着的,这是一个无效的历史事实。

**3.**回想一下“噪声”和碰撞对于突变的发生有多么重要,与其他创造性的过程一样,进化也源于突变。可是康威构建的巨大的自我复制体却无法发生突变。

生命游戏的结构总是完美地复制自身,若要把突变机制引入进来,整个构造必须增大数倍。为什么呢?因为生命游戏的世界是决定论的,唯一可能的“随机”突变只能由一些游荡的小物体带来,它们貌似随机地在屏幕上游动,破坏别的物体。

但是,在生命游戏中能动的最小物体就是“滑翔机”了,你可以把它想成是单光子或者宇宙射线,以生命物理学中的光速在运动。其实单单一架“滑翔机”就能造成很大的破坏,如果非要让它只是对一个自我复制体的基因组织作出“调整”而不是摧毁这个基因组,那么这个基因组必须比“滑翔机”巨大得多,也要足够强壮。

如果事实证明,那些银河般巨大的集合体实在脆弱,无法经受住一阵偶然降下的“滑翔机雨”的考验,或许就可以很好地说明,无论我们在生命游戏的世界中设计出的物体有多大,它都不会发生进化

因新冠去世的数学家,留下关于生命、宇宙和一切的思考-湛庐

《直觉泵和其他思考工具》

丹尼尔·丹尼特 著

有些人相信,庞大复杂的系统是由简单的规则构成的,其复杂性取决于规模而非本质。

正如物理学家斯蒂芬·霍金说过:“我们完全可以想象,像生命游戏这样的东西,只有少数几个基本定律,就可以产生高度复杂的特征,甚至可能产生智能。”

然而决定论并非唯一解释万物存在和消亡规律的理论,今天我们依然和约翰·康威一样热切的发明着新的游戏,试图以极度抽象的概念解释宇宙、生命以及一切的奥秘。

另一部分人看待世界的角度,或许可以用道格拉斯·亚当斯在科幻小说《银河系漫游指南》系列中的观点来形容:

“如果任何一个人真正发现了宇宙存在的原因、宇宙存在的目的,宇宙就会立刻消失,被某种更为怪异、更难以理解的玩意儿取代。还有另外一种理论宣称:上述事件已经发生了。”