Automatik selular: kehidupan automatik mungkin?

Automatik selular: kehidupan automatik mungkin?

Fishman Roman
"Mekanik Popular" №3, 2016

Ambil ruang kekisi mudah. Tetapkan satu peraturan yang mudah. Mulakan masa. Anda mendapat automaton selular – hampir seluruh dunia.

Alam Semulajadi Cubic Minecraft padat penduduk – yang dijual dalam jumlah lebih daripada 70 juta salinan, permainan ini adalah antara tiga yang paling berjaya dalam sejarah. Terdapat hampir segala-galanya di sini: tanah dan marmar, pokok dan lava, unsur-unsur yang bijak untuk pembinaan mesin dan mekanisme kompleks. Dengan memilih kiub bangunan, peserta membina, mengubah suai, dan melengkapkan dunia ini, mengarang panduan dan tips reka bentuk yang luas – dan lulus ujian dalam talian pada topik "Semak sama ada anda tidak terlalu ketagih Minecraft"Sesungguhnya dunia ini ketagihan, kerana ia hidup dan berkembang.

Sekiranya terdapat cahaya yang mencukupi, blok padu tanah, yang mempunyai blok padang rumput hijau di kawasan kejiranan, juga akan tumbuh rumput. Sekatan air akan menurunkan tahap dan merebak ke kawasan jiran jika tiada halangan di hadapannya. Dengan akses kepada air dan cahaya matahari, tanaman meningkat dengan satu tahap dengan setiap lelaran kitaran masa. Penyejukan, blok lava cair diubahsuai oleh peraturan mudah: lava (tidak bergerak) menjadi obsidian jika blok atas adalah air; lava (mengalir) menjadi batu, jika salah satu blok tetangga adalah air.

Walaupun bentuk padu kasar, alam semesta Minecraft mempelbagaikan kepelbagaian dan kerumitan, yang tidak hanya tumbuh dari kreativiti bebas para pemain, tetapi juga dari satu set prinsip mudah yang menentukan jalannya evolusi. Ini adalah matriks sebenar, mungkin tiga dimensi, dan sel-selnya dikemas kini kitaran mengikut kitaran, bergantung pada tindakan pemain dan persekitaran setempat. Kalau bukan dunia yang berkekalan sebenar, maka sebuah automaton selular.

Peraturan Kehidupan

"Kehidupan" wujud pada satah kisi tak terhingga. Setiap sel dengan dua atau tiga jiran hidup, bertahan pada langkah seterusnya. Jika terdapat lebih sedikit atau lebih, sel mati dari "kesepian" atau dari "terlalu banyak penduduk". Jika sel mati mempunyai tiga jiran yang tinggal, ia menjadi hidup. Kejiranan diambil kira secara menegak, mendatar dan menyerong. Itu sahaja: prinsip asas permainan adalah sangat mudah, tetapi mereka boleh menghasilkan tingkah laku yang mengejutkan dan pelbagai bentuk.

Struktur tipikal yang timbul dalam "Life" Conway. Jika permainan bermula dengan konfigurasi rawak, kemungkinan ia akan berakhir dengan kemunculan satu set yang mantap dari bentuk-bentuk mantap sedemikian. Tetapi pada umumnya, evolusi sistem tidak dapat diprediksi, dan untuk mengetahui bagaimana "Kehidupan" ini akan berakhir, anda perlu "hidup", iaitu, modelkannya.

The Rules of Life telah diterbitkan oleh matematikawan Cambridge John Conway pada tahun 1970 dan dengan segera membuat automata selular sangat popular. Beribu-ribu peminat, merasakan diri mereka dalam peranan para tuan dunia ini, mula meneroka bentuk dua dimensi yang dilahirkan dan mati di dalamnya. Antaranya adalah "masih hidup" yang tidak boleh berubah tanpa sebarang perubahan; pengayun berkala "mengulangi angka yang sama dengan sifat kitaran tertentu; bergerak "glider" yang beralih ke satu arah atau yang lain dengan setiap giliran.

Glider (glider) – konfigurasi bergerak lima sel

Berjuta-juta makhluk seperti ini diketahui dalam Life hari ini: dengan pertumbuhan "saiz", iaitu jumlah sel, bilangan "lifes tetap" dan "pengayun" mungkin meningkat dengan pesat. Tetapi sudah pada tahun-tahun pertama kegilaan untuk automaton selular ini, ternyata walaupun terdapat ruang "hidup" yang mencukupi, struktur yang lebih rumit boleh wujud di dalamnya. Sebagai contoh, "nutlet yang sukar" terdiri daripada tujuh sel hidup, yang menyakitkan untuk 130 generasi, dan selepas itu semuanya dimusnahkan sekaligus.

Mesin menjadi mesin.

Conway sendiri mencadangkan nasib seperti itu menanti apa-apa bentuk "Bukan Kehidupan" yang tidak berpaut dan tidak berkala, dan juga mengumumkan hadiah simbolik kepada sesiapa yang boleh membuktikan atau membantah idea bahawa pembiakan yang tidak terhingga adalah mungkin di bidang ini. Walau bagaimanapun, dia terpaksa berpisah dengan jumlah yang dijanjikan sebanyak $ 50 agak cepat. Pada tahun 1970 yang sama, Bill Gosper menemui struktur berkala – "pistol", yang setiap 30 langkah kembali ke konfigurasi asalnya, menimbulkan "peluncur" terbang jauh. Tetapi ini sangat, sangat penasaran …

"Pistol glider" sedemikian boleh dianggap sebagai penjana dorongan, yang ditukar antara unsur-unsur logik mana-mana komputer: glider hilang – satu, tiada glider – sifar. Sekiranya sepasang pelaut tersebut bertembung pada sudut yang betul, maka salah satu daripadanya dihapuskan, yang membolehkan model model logik TIDAK. Dalam cara yang lebih kompleks, anda boleh membuat elemen lain yang melaksanakan semua operasi logik asas, termasuk AND dan ATAU. Ia tetap untuk menggabungkan mereka – dan permainan akan menjadi peranti pengkomputeran.

"Glider gun" – asas banyak kombinasi yang merangkumi unsur-unsur logik komputer. Konflik besar seperti Conway automaton untuk sebahagian besar terdiri daripada sel-sel kosong.Pada kesempatan ini, pakar matematik, Paul Chapman berkata: "Mungkin terdapat banyak ruang yang kosong di dalam Hidup dengan alasan yang sama ada terdapatnya dalam hidup kita. Atom mempunyai ruang yang cukup untuk melakukan kerja mereka."

Walau bagaimanapun, hakikat bahawa sesetengah automata selular mampu melakukan sebarang operasi matematik, meniru mesin Turing sejagat, diketahui sebelum Conway: pada tahun 1950-an, John von Neumann yang hebat mengambil kesempatan ini. Mengenai gelombang cinta sejagat untuk robotika, saintis itu bertanya-tanya sama ada ia mungkin untuk membina sebuah robot yang boleh membiaknya tanpa henti dengan mengepam salinannya sendiri sehingga mereka akhirnya menghasilkan robot generasi baru tanpa henti.

Kelahiran tak terhingga

Untuk merancang peranti seperti itu dari daging logam dan darah elektrik akan menjadi satu perkara yang mengucapkan terima kasih. Tetapi persoalannya sudah cukup untuk diselesaikan di peringkat asas, matematik, seperti beberapa dekad sebelum Turing sama dengan komputer. Stanislav Ulam, seorang rakan sekerja di Makmal Kebangsaan Los Alamos, yang menggunakan automata selular untuk mengkaji pertumbuhan struktur kristal, melancarkan idea von Neumann.

Von Neumann memilih ruang "papan catur" tanpa henti yang dapat meniru mesin Turing, dan menggambarkannya sebagai konfigurasi kira-kira 200,000 sel yang dapat membiak dirinya sendiri melalui satu siri generasi tak terhingga. Undang-undang yang mengawal evolusi automaton seperti itu jauh lebih rumit daripada Kehidupan, cukup untuk menyebutkan bahawa sel-selnya boleh mengambil 29 nilai yang berbeza, dan untuk setiap peralihan di antara mereka peraturan yang berasingan diperlukan. Tetapi jiran-jiran – kejiranan setiap sel – dalam automaton von Neumann dianggap hanya empat yang terletak secara menegak dan mendatar daripadanya, sedangkan di Conway mengira sebanyak lapan sel, termasuk yang diagonal dari kejiranan asal (kejiranan Moore).

"Taman Eden" adalah salah satu pilihan konfigurasi automaton selular, yang tidak dapat muncul sebagai hasil evolusi dan mesti ditetapkan dari awal, dari "penciptaan" dunia buatan ini.

Ketergantungan tempatan terhadap tingkah laku sel adalah harta asas yang sama dari automata selular sebagai globality of rules yang bertindak secara persis dengan cara yang sama di mana-mana titik grid.Ini mengingatkan dunia nyata: sejauh mana kita tahu, undang-undang fizik adalah sama pada mana-mana titik, tetapi interaksi menyebar dengan kelajuan terhingga, dengan maksimal dengan cahaya. Dalam dunia automata selular, had laju ini lebih ketara. Apa-apa perubahan dalam prinsip "Hidup" tidak dapat berlaku lebih cepat daripada kelajuan raja catur – satu sel dalam satu selang waktu. Secara umum, walaupun kesederhanaan yang jelas dari automata selular, proses yang terjadi di dalamnya, secara matematiknya, sering berubah menjadi sama dengan yang sebenar.

Pemangsa dan mangsa

Ambil segelas air dan tuangkannya di atas meja. Cara terbaik untuk meramalkan pergerakannya ialah menggunakan superkomputer, walaupun ia hanya dapat memberikan penyelesaian anggaran kepada persamaan hidrodinamik terikat. Tetapi proses yang sama dapat diwakili dalam bentuk model mudah "gas kisi", sel-sel yang mungkin atau mungkin tidak mengandungi molekul. Ini akan membolehkan mereka diterangkan dengan menggunakan satu set peraturan ringkas. Sebagai contoh: aliran membawa molekul ke bawah sehingga ia menemui halangan – meja atau molekul lain – dalam kes ini, ia bergerak ke sel yang tidak berpenghuni dari sisi. Kami akan mendapat automaton mudah alih yang dapat meniru realiti dengan ketepatan yang boleh diterima.

Peraturan yang sama membolehkan anda memodelkan kelakuan orang ramai. Jika boleh, orang itu bergerak ke hadapan; menghadapi halangan, berpaling; jika terdapat orang lain di sisi, ia akan kekal di tempat. Kejiranan dalam kes ini perlu mengambil kira lebih jauh, setelah memasuki kebarangkalian bergerak dalam satu arah atau yang lain bergantung pada kehadiran orang lain atau dinding – "mencari" beberapa sel ke depan. Dengan mengubah parameter ini, adalah mungkin untuk memodelkan pergerakan aliran orang dengan tepat dan menggunakan keputusan ini dalam merancang ruang bandar.

Terdapat automata selular yang mensimulasikan tindak balas kimia getaran dan kerja stomata pernafasan daun sayuran, proses bergolak dan pembentukan pola pada cangkang moluska, dinamika jumlah populasi herbivora dan pemangsa. Peraturannya adalah mudah. Individu boleh bergerak ke rawak dari sel-sel di sekitar Neumann. Dengan tempoh tertentu, ia meninggalkan keturunan dalam sel asal, dengan tertentu – ia mati dengan usia tua sendiri. Individu pemangsa boleh menelan herbivora jiran, dan jika tidak melakukannya untuk beberapa waktu, ia akan mati akibat kelaparan.Automatik selular semacam ini membolehkan kita untuk mendapatkan keluk berbentuk ciri-ciri pertumbuhan penduduk: bilangan pemangsa dan herbivor akan mencapai tahap tertentu dan akan berubah-ubah di sekelilingnya. Sama seperti dalam kehidupan.

Dunia yang dicekik

Keserupaan hidup dengan automata selular telah lama saintis saintis. Idea-idea ini dikembangkan oleh Konrad Zuse, dan kemudiannya oleh Edward Fredkin, yang merumuskan "hipotesis terakhirnya": "Setiap kuantiti fizikal, termasuk waktu dan ruang, adalah terbatas dan diskret." Kuantiti ruang-masa tetap tidak terbukti, namun beberapa teori yang cukup dihormati, termasuk graviti kuantum gelung, bergantung pada idea-idea ini.

Dari sini ia masih mengambil langkah terakhir. Sekiranya Universe diwakili sebagai medan diskret, sel-sel yang berubah sesuai dengan undang-undang tertentu, maka sebenarnya ia adalah automaton selular? Karya-Nya menciptakan ilusi kewujudan zarah, bidang dan interaksi, yang pada hakikatnya hanya sebilangan kecil "sel elementer" yang sangat kecil di alam semesta, berubah dalam masa yang sangat pendek.

Evolusi robot selular satu dimensi boleh diwakili pada satah, salah satu dimensi yang akan menjadi masa. Salah satu mesin ini mencipta struktur fraktal "serbet Sierpinski"

Matriks "papan catur" Conway bertukar menjadi matriks global di dunia kita – yang dinamik dan menarik. Walau bagaimanapun, pandangan "fizik digital", yang apologist utama hari ini ialah Stephen Wolfram, tidak boleh dipanggil secara umum diterima di kalangan saintis. "Pemantauan komputer anda, imej yang terdiri daripada mata piksel, membuktikan bahawa dunia sedemikian rupa boleh kelihatan agak realistik," tulis pengarang Nobel Frank Wilczek. "Tetapi ada yang pasti salah sedikit.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: