Celluláris automata: az automatikus élet lehetséges?

Celluláris automata: az automatikus élet lehetséges?

Római halász
"Népszerű Mechanika" №3, 2016

Vegyünk egy egyszerű rács helyet. Állítson be egyszerű szabályokat. Indítsa el az időt. Van egy cellás automata – majdnem egész világ.

Cubic Universe Minecraft sűrűn lakott – több mint 70 millió példányban értékesített, a játék a történelem három legsikeresebbje közé tartozik. Szinte mindent itt találunk: talaj és márvány, fák és láva, leleményes elemek komplex gépek és mechanizmusok kialakításához. Az épület kockák kiválasztásával a résztvevők építik, módosítják és kiegészítik ezt a világot, kiterjedt útmutatókat és tervezési tippeket készítenek – és online teszteket adnak át a témában. "Ellenőrizze, hogy nem vagy túl rabja Minecraft"Valóban ez a világ addiktív, mert él és fejlődik.

Ha elegendő fény van, egy köbméteres talaj, amely zöldövezetben található, és a környékben zöld fű, szintén füvet is kelt. Egy blokk víz csökkenti a szintet és elterjed a szomszédos területekre, ha nincsenek akadályok az előtte. A vízhez és a napfényhez való hozzáféréssel a növények egy szinttel emelkednek az idő ciklus minden egyes iterációjával. Lehűtve, az olvadt láva blokkját egyszerű szabályok változtatják: a láva (mozdulatlan) obsidzsinává válik, ha a felső blokk víz; A láva (folyó) kővé válik, ha az egyik szomszédos blokk víz.

A durva űrformák, az univerzum ellenére Minecraft amelyek nemcsak a játékosok szabad kreativitásából származnak, hanem olyan egyszerű elvekből is, amelyek meghatározzák az evolúció folyamatát. Ez egy valódi mátrix, talán háromdimenziós, és sejtjei ciklikusan frissülnek, a játékos és a helyi környezet függvényében. Ha nem egy igazi kockás világ, akkor egy cellás automata.

Az élet szabályai

Az "élet" egy végtelen rácsos síkon létezik. Minden két vagy három élő szomszédos sejt, túléli a következő lépést. Ha kevesebb vagy annál több van, a sejt meghal a "magányosság" vagy a "túlnépesülés" miatt. Ha egy halott sejtnek három élõ szomszédja van, életre kel. A szomszédságot függőlegesen, vízszintesen és átlósan veszi figyelembe. Ez az egész: a játék alapvető elvei rendkívül egyszerűek, de meglepően összetett viselkedést és sokféle formát generálhatnak.

Tipikus szerkezetek a Conway "Életben". Ha egy játék véletlenszerű konfigurációval kezdődik, akkor valószínűleg véget ér az ilyen erős formák fenntartható sorozata. De általában a rendszer fejlődése kiszámíthatatlan, és annak megismeréséhez, hogy ez az "Élet" véget ér, meg kell "élni", azaz modellezni.

Az élet szabályait 1970-ben a John Conway Cambridge-i matematikus publikálta, és azonnal felgyorsította a cellás automatákat. Több ezer rajongó, akik úgy érezzék magukat, mint az ebből a szögletes világ urainak szerepét, elkezdték felfedezni a kétdimenziós formákat, amelyek születnek és meghalnak benne. Ezek között állóképes "csendéletek", amelyek bármikor létezhetnek változatlanul; időszakos "oszcillátorok", amelyek ugyanolyan ciklikus jellegű adatokat ismételnek; mozgó "vitorlázógépeket", amelyek mindegyik irányban elfordulnak az egyik irányba vagy a másikba.

Vitorlázó (vitorlázó) – öt cellából álló mozgó konfiguráció

A mai életben több millió ilyen lény ismeretes: a "méret" növekedés, vagyis a sejtek száma, a lehetséges "csendéletek" és az "oszcillátorok" száma gyorsan növekszik. De már a kecses cellás automata őrületének első éveiben kiderült, hogy még ha elegendő "élő" tér is létezne, sokkal bonyolultabb struktúrák is létezhetnek benne. Például egy "kemény anyacsavar" hét élő sejtből áll, amelyek fájdalmasan túlélnek 130 generáción át, majd mindent azonnal megsemmisítenek.

A gép gépké válik.

Conway maga azt javasolta, hogy egy ilyen halandó sors várja az "Élet" nem stacionárius és nem időszakos formáját, és akár szimbolikus nyereményt is hirdetett bárkinek, aki bizonyítani tudja, vagy elutasítja azt az elképzelést, hogy végtelen reprodukció lehetséges ezen a kockás mezőn. Azonban meglehetõsen gyorsan 50 dollárral kellett részt vennie az ígért összeggel. Ugyanezen 1970-ben Bill Gosper felfedezett egy periodikus struktúrát – a "fegyvert", amely minden 30 lépésben visszatér eredeti formájához, és így egy "vitorlázó" repül. De ez nagyon, nagyon kíváncsi …

Az ilyen "vitorlázópisztolyok" impulzusgenerátoroknak tekinthetők, amelyeket bármely számítógép logikai elemei között kicserélnek: a vitorlázó elment – egy, nem vitorlázó – nulla. Ha egy pár ilyen vitorlázógép merőlegesen ütközik, akkor egyikük megsemmisíti, ami lehetővé teszi a logikai elem NEM modelljét. Bonyolultabb módon létrehozhat olyan elemeket, amelyek elvégzik az összes alapvető logikai műveletet, beleértve az AND és az OR-t is. Továbbra is ötvözik őket – és a játék számítástechnikai eszköz lesz.

A "vitorlázópisztoly" számos kombináció alapja, amely a számítógép logikai elemeit testesíti meg. A Conway-gép ilyen nagy konfigurációja nagyrészt üres cellákból áll.Paul Chapman matematikus ezúttal megjegyezte: "Talán annyi üres hely van az életben, ugyanolyan okok miatt, hogy annyi mindennel rendelkezünk az életünkben, az atomoknak elég helyük kell ahhoz, hogy elvégezzék munkájukat."

Azonban az a tény, hogy egyes cellás automata képes matematikai műveletek elvégzésére, egy univerzális Turing-gépet emulálva, Conway előtt is ismert volt: az 1950-es években a nagy John von Neumann kihasználta ezt. A robotika univerzális szeretetének hullámán a tudós azon töprengett, vajon képes-e olyan robotot felépíteni, amely képes végtelenül reprodukálni magát saját példányainak bélyegzésével, hogy végül új robotok generációit generálhassák.

Végtelen születés

A fémhús és az elektromos vér ilyen berendezésének kialakítása hálátlan lenne. De a kérdés elég volt ahhoz, hogy egy alapvető, matematikai szinten megoldható legyen, éppúgy, mint néhány évtizeddel ezelőtt, mielőtt ugyanazt a Turingt csinálta volna egy számítógéppel. Stanislav Ulam, a Los Alamos Nemzeti Laboratórium munkatársa, aki sejtmágneseket használt a kristályszerkezetek növekedésének tanulmányozására, von Neumann ötletét vette fel.

Von Neumann egy végtelen "sakktábla" helyet választott ki, amely utánozhat egy Turing-gépet, és mintegy 200 ezer cellának olyan konfigurációját írta le, amely képes egy végtelen generációk sorozatát reprodukálni. Az ilyen cellás automata fejlődését szabályozó törvények sokkal bonyolultabbak, mint az életé, elegendő megemlíteni, hogy sejtjei 29 különböző értéket vehetnek igénybe, és minden egyes átmenet között külön szabály szükséges. De a szomszédok – az egyes sejtek szomszédsága – a von Neumann automatában csak azok a négyek tekinthetők, amelyek vertikálisan és vízszintesen helyezkednek el, míg a Conway-ban akár nyolc sejt is számít, beleértve az eredeti (Moore szomszédságában) átlósan elhelyezkedő sejteket.

Az "Eden kertje" egyike a cellás automata konfigurációs lehetőségeinek, amelyek nem jelennek meg az evolúció eredményeként, és a kezdetektől, a mesterséges világ "létrehozásától" kell beállítani.

A sejtek viselkedésétől való helyi függés ugyanaz a sejt automaták alapvető tulajdonsága, mint a szabályok globálissága, amelyek pontosan ugyanúgy járnak el a grid bármely pontján.Ez a valóságos világra emlékeztet: tudjuk, hogy a fizika törvényei megegyeznek minden ponton, de az interakciók véges sebességgel terjednek, maximálisan fényességgel. A cellás automata világában ez a sebességhatár még jobban észrevehető. Az "Élet" változásai elvben nem fordulhatnak elő gyorsabban, mint a sakkkirály sebessége – egy cella egy időintervallumban. Általában véve a sejtes automata látszólagos egyszerűsége ellenére a bennük folyó folyamatok matematikai alapon gyakran a valósághoz hasonlóak.

Ragadozók és zsákmány

Vegyünk egy pohár vizet, és öntsük az asztalra. A mozgás megjósolásának legjobb módja szuperszámítógép használata, bár csak megközelítő megoldást nyújt a zsúfolt hidrodinamikai egyenletekre. De ugyanez a folyamat a "rácsgáz" egyszerűsített modelljében reprezentálható, amelynek sejtjei molekulákat tartalmazhatnak vagy nem tartalmazhatnak. Ez lehetővé teszi számukra, hogy rövid szabályok szerint írják le őket. Például: az áramlás a molekulát lefelé tolja, amíg egy akadályt nem talál – egy asztalt vagy egy másik molekulát – ebben az esetben egy véletlenszerű, üres cellába mozog. Egy egyszerű cellás automont kapunk, amely elfogadható pontossággal képes utánozni a valóságot.

Hasonló szabályok segítségével modellezheti a tömeg viselkedését. Ha lehetséges, a személy előre halad; akadályba ütköznek, félreállnak; ha van más ember az oldalon, akkor a helyén marad. Ebben a helyzetben a szomszédságnak távolról kell számolnia, miután a másik ember vagy a falak jelenlététől függően belépett egy vagy több irányba – néhány cellát előre "nézve". E paraméterek megváltoztatásával lehetséges az emberek áramlásának mozgását pontosan meghatározni, és ezeket az eredményeket felhasználni a városi tér tervezésében.

Vannak cellás automaták, amelyek szimulálják a vibrációs kémiai reakciókat és a növényi levél légúti sztómáinak munkáját, turbulens folyamatokat és mintázatokat alakítanak ki a puhatestűek héjairól, a növényevők és a ragadozók populációinak dinamikájáról. A szabályok egyszerűek. Az egyén a Neumann közelében lévő sejtekből véletlenszerűen mozoghat. Bizonyos periodicitással elhagyja a leszármazottat az eredeti cellában, egy bizonyos – maga az öregkor meghal. A ragadozó egyén lenyelheti a szomszédos növényevő növényeket, és ha egyáltalán nem így tesz, akkor éhen halnak meg.Az ilyen cellás automata lehetővé teszi számunkra, hogy a népesség növekedésének jellegzetes S alakú görbéit kapjuk meg: a ragadozók és a növényevők száma egy bizonyos szintet ér el és ingadozik körülötte. Ugyanúgy, mint az életben.

Kockás világ

Az élet hasonlósága a sejtes automatákkal régóta izgatottabb tudósokat. Ezeket az ötleteket legjobban Konrad Zuse, majd Edward Fredkin állítja elő, aki megfogalmazta "végső hipotézisét": "Minden fizikai mennyiség, beleértve az időt és a téret, véges és diszkrét". A téridős mennyiségi meghatározás még nem bizonyított, azonban néhány igen tiszteletben lévő elmélet, beleértve a ciklus kvantum gravitációját, támaszkodik ezekre az ötletekre.

Innen marad az utolsó lépés. Ha az Univerzum diszkrét területként jelenik meg, amelynek sejtjei bizonyos törvények szerint változnak, akkor valójában ez egy cellás automata? Munkája alkotja a részecskék, a mezők és az interakciók létezésének illúzióját, amelyek valójában csak a világegyetem nagyon kicsi "elemi sejtjeinek" különböző államai, amelyek rendkívül rövid idő alatt változnak.

Az egydimenziós cellás automata evolúciója egy síkban ábrázolható, amelynek egyik dimenziója az idő. Az egyik ilyen gép létrehozza a "Sierpinski szalvéták" fraktál szerkezetét,

Conway "sakktábla" mátrixunk világunk globális mátrixává változik – dinamikus és lenyűgöző. Azonban a "digitális fizika" nézeteit, amelyek főbb bocsánatkérője ma Stephen Wolfram, nem lehet általánosan elfogadni a tudósok között. "A számítógép monitorja, a képpontból álló kép bizonyítja, hogy egy ilyen világ nagyon reálisnak tűnhet" – írja Frank Wilczek Nobel-díjas. "De valami biztos benne, hogy egy kicsit rossz.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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