第七百三十章 元胞自动机

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白夜明眼见一计不成，于是又心生一计。他想到了另外一种非常神秘的，同样由计算机之父，冯诺伊曼提出来的构想，那就是元胞自动机(Cellular Automata，简称CA)。</p>

冯诺依曼机器人虽然是一种很好的解决办法，但是也正如因度和其他旅法师所担心的那样，一旦它失控的话，对整个时空乃至整个多元宇宙的平衡都会带来很大的影响。</p>

所以有一种和冯诺依曼机器人有着异曲同工之妙，但是却没有那么大危害的纯粹概念产物元胞自动机，便顺理成章的被白夜明响了起来。</p>

元胞自动机的提出同样是在通用计算机模型诞生之后。也同样是在冯诺依曼在考虑生命系统的自复制功能的时候所提出的。</p>

冯洛伊曼在思考自复制机器人的过程当中，从演化方程的角度出发，提出了这种纯粹的数学上的一种模型。</p>

元胞自动机虽然用数学语言来描述颇为复杂，但是简单来说可以这么理解：</p>

首先先假设一个空间，然后将这个空间分为若干个格点，空间与格点的定义可以是一维的、二维或者是三维的、或者是超越客观世界更高维度也无妨。</p>

我们以一个二维的状态来举例子，也就是先想象一张棋盘。</p>

棋盘上的每一个空格就是其中的一个元胞，我们可以将元胞初始的状态进行定义。</p>

也就是定义每个空格的状态，它既可以是两相对立的，比如〇与一，生与死，黑与白。也可以存在着多种状态，比如不同的颜色或者是123456789等等不同的数字。</p>

然后我们要开始定义元胞自动机的规则，规则分为两部分。</p>

第一部分是定义邻居的规则，也就是对于任意一个元胞（也就是任意一个格点而言），定义谁是它的邻居，谁能够影响它在其下一刻的状态。</p>

我们以最简单的二维格点来举例的话有很多种类型，冯诺依曼型的邻居就认为一个元胞上下左右四个格点可以影响到这个格点。</p>

而摩尔型的邻居则会认为一个格点上下左右一圈的8个格点都会影响到它的状态。</p>

定义好邻居之后，就要定义演化规则，也就是隔点在T=0的时候，它的状态以及它周围邻居的状态，将决定这个元胞在T=1的时候它的状态是什么样子的。</p>

这种规则及可以是某种函数表达式，也可以是某种方程。从本质上来讲，相当于是对这个格点（以及周围格点）的状态，进行某种矩阵上的变化。</p>

元胞自动机被发明出来之后，被广泛地应用于对生命系统或者对流体动力学等等方向进行模拟仿真。而元胞自动机出圈的原因则是因为被称之为生命游戏的存在。</p>

生命游戏（Game of Life），或者叫它的全称John Conway's Game of Life。是英国数学家约翰·康威在1970年代所发明的一种元胞自动机。</p>

在二维平面上的方格元胞里，每个元胞有两种状态：死或活。而下一回合的状态完全受它周围八个元胞的状态而定。</p>

在当时提出的游戏里，每个元胞在下一刻会按照以下三条规则进行演化：</p>

1，活的元胞周围的元胞数小于2个或多于3个则死亡；</p>

2，活的元胞周围有2或3个元胞可以继续存活；</p>

3，死的元胞周围恰好有3个元胞则会复活。</p>

在这样的元胞规则下就出现了很多非常有趣的现象，比如有的元胞结构会一直在做出循环。有的就像是宇宙飞船一样会往某个方向不断地前进。</p>

还有的像是生命一般，能够不断地繁衍与自身一模一样的图案。</p>

（关于生命游戏，感兴趣的读者可以去自行百度，确实是一种充满了想象力与数学魅力的存在。）</p>

有生命游戏引发的关注度让其他人对这个领域投来了更多的目光，并且引发了持续性的关注和系统性的研究。</p>

在地球上上个世纪的80年代，史蒂芬·沃尔夫勒姆(S. Wolfrarm)在详细分析研究了一维元胞自动机的演化行为，并在大量的计算机实验的基础上，将所有元胞自动机的动力学行为归纳为四大类:</p>

1，平稳型：自任何初始状态开始，经过一定时间运行后，元胞空间趋于一个空间平稳的构形，这里空间平稳即指每一个元胞处于固定状态。不随时间变化而变化。</p>

如果是看做某种生命的话，这意味着这种生命将不再会发生任何进化或者状态上的改变。</p>

2，周期型：经过一定时间运行后，元胞空间趋于一系列简单的固定结构（Stable Patterns）或周期结构（Perlodical Patterns)。</p>

3，混沌型：自任何初始状态开始，经过一定时间运行后，元胞自动机表现出混沌的非周期行为。但是其所生成的结构的统计特征不再变化，通常表现为分形分维特征。</p>

4，复杂型：出现复杂的局部结构，或者说是局部的混沌，其中有些会不断地传播，进行自我复制。</p>

后两种情况。也就是生命游戏之所以被冠之以“生命”二字的原因。</p>

这种类型的元胞自动机所表现出来的情境就好像是在不断的进行着运动一般。如同生命的群落一般存在着某种规律，却又保持着着不断的变化。</p>

事实上一些学者在将元胞自动机的整个过程进行数学语言化之后，他们可以将自动机的演化过程分为可持续类和不可持续类。</p>

所谓的不可持续类，就是总结出的第一种、第二种以及在一段程度演化之后，所有的元胞都死亡的情形。</p>

而可持续类则是第三种和第四种，即一直在不断的进行着变化的情形。</p>

这两种类型之间的区别是可以通过不同的规则制定来实现的，而这种规则制定的参数选取从某种程度上和混沌结构的出现也有关系。</p>

这种关系是由人工生命之父克里斯·朗顿在之后发现的。只有在系统接近混沌的时候，复杂的生命活系统才会诞生。</p>

因此，朗顿称生命诞生于“混沌的边缘”</p>

在白夜明的预想里，他希望在奥札奇的体内构建出一种存在于概念上的元胞自动机，这种自动机需要满足以下的几个限制和特性。</p>

首先这种元胞自动机，是一种四维自动机，它不单单是要在现实世界中的三维坐标起到效果，同时也要在时间轴上进行着移动。</p>

这样一来。这种自动机就会像一个牛皮癣一般更加难以被去除。即便在这个时刻被消灭了，也会在一下个时刻再次移动出来。</p>

其次，白夜明需要这种自动机只能在奥扎奇的体内进行存活，而不能在现实世界的空间里以及在正常本土生物的体内进行演化。</p>

这就限制了当奥扎奇的躯体被毁灭之后，这种自动机会脱出并影响这一片时空的环境。这种自动机本身就是一种概念上的产物，所以这样的限制是可以进行预设的。</p>