โลกที่น่าหลงใหลของ Automata เซลลูลาร์

หากคุณพบเศษส่วนเช่น ชุดแมนเดลบอต ที่น่าสนใจ แต่ก็ไม่รู้เกี่ยวกับออโตมาตาเซลลูลาร์ให้ยึดเข็มขัดนิรภัยของคุณ ที่นี่เราจะแนะนำโดเมนที่ลึกลับของคณิตศาสตร์นี้สำรวจตัวอย่างในการดำเนินการค้นพบว่าทำไมการจำลองกระดูกเปลือยประเภทนี้สร้างรูปแบบที่น่าอัศจรรย์ของความซับซ้อนและถือกุญแจเพื่อปลดล็อกปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่ลึก โลกที่ยอดเยี่ยมของเซลล์อัตโนมัติอาจพิสูจน์ได้ว่าเราอาศัยอยู่ในการจำลอง

นาฬิกาที่ซับซ้อนที่สุดที่ง่ายที่สุดเท่าที่เคยมีมา?

ก่อนที่เราจะดำน้ำมาลองอยากรู้อยากเห็นด้วยวิดีโอนี้ อย่างที่คุณจะเห็นมันค่อยๆก่อตัวจากพิกเซลที่เคลื่อนที่ไปสู่นาฬิกาดิจิตอลที่ใช้งานได้

แล้วอะไร?

ก่อนอื่นโปรดทราบว่านาฬิกาแสดงถึงรูปแบบที่แท้จริงของการเกิดขึ้น การเกิดขึ้นพบได้ในธรรมชาติที่ระบบง่าย ๆ ก่อให้เกิดพฤติกรรมที่ซับซ้อนสูงอย่างลึกลับ

ตัวอย่างเช่นมดผึ้งและปลวกเป็นสิ่งมีชีวิตพื้นฐานที่มีพฤติกรรมง่าย ๆ ที่ จำกัด มาก อย่างไรก็ตามพวกเขาเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีพฤติกรรมที่เกิดขึ้นซึ่งมีความซับซ้อนสูงผึ้งดังกล่าวปรับอุณหภูมิของรังอย่างแม่นยำและมดรวมตัวกันเป็นแพเพื่อข้ามแม่น้ำหรือ รอดชีวิตจากน้ำ ท่วม

นาฬิกาที่อยู่ข้างต้นเกิดขึ้นในทำนองเดียวกันจากการจำลองที่เรียบง่าย (คุณสามารถนึกถึงพิกเซลเช่นมด) ซึ่งเป็นตัวอย่างที่น่าสนใจของเซลล์อัตโนมัติ ตอนนี้เรามาดูว่ามันคืออะไร

โทรศัพท์มือถือคืออะไร?

ออโตมาตาเซลลูล่าร์ ถูกออกแบบโดย John Von Neumann จากนั้นในปี 1970 นักคณิตศาสตร์ของเคมบริดจ์ จอห์นคอนเวย์ ได้ปรับปรุงวิธีการสร้าง เกมแห่งชีวิตของคอนเว ย์ โดยวิธีการถ้าคุณต้องการค้นพบไข่อีสเตอร์จาก geeks ที่ Google ลองใช้ Googling 'Game of Life' ของ Googling '

รุ่นนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจและประกอบด้วยกฎง่ายๆเพียงสี่กฎเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซลล์บนตารางสี่เหลี่ยมจัตุรัส กฎโดยทั่วไปสั่งให้เซลล์มีชีวิตอยู่หรือตาย (ดำหรือขาว) ตามสถานะของเซลล์ใกล้เคียง และนั่นคือ

คุณสามารถลองของจริงในเบราว์เซอร์ของคุณ ได้ที่ นี่ เพียงหยุดการจำลองคลิกที่จำนวนเซลล์ใด ๆ เพื่อให้มีชีวิตอยู่จากนั้นคลิกเริ่ม

หากคุณลองดูคุณจะสังเกตเห็นหนึ่งในสามสิ่ง

1. เซลล์ตายหรือกลายเป็นนิ่งและการจำลองจะสิ้นสุดลงอย่างมีประสิทธิภาพ

2. เซลล์ก่อตัวเป็นโครงสร้างขนาดเล็กและเสถียรที่น่าสนใจซึ่งพลิกระหว่างสองสถานะ

3. เซลล์ดูเหมือนจะมีชีวิตอยู่และเริ่มทำสิ่งที่ผิดปกติเช่นการสร้างโครงสร้างคล้ายยานอวกาศขนาดเล็กที่ร่อนออกไปสู่สิ่งที่ไม่รู้จัก (เรียกว่า 'เครื่องร่อน' ที่เหมาะสม)

นวนิยาย แต่ไม่ได้สร้างแรงบันดาลใจอย่างแน่นอน

อย่างไรก็ตามขึ้นอยู่กับเซลล์ที่คุณเลือกสิ่งแปลก ๆ อาจเริ่มเกิดขึ้นได้ ข้อพิสูจน์ถึงสิ่งนี้นาฬิกาที่เราแนะนำก่อนหน้านี้ถูกสร้างขึ้นจริงจากการกำหนดค่าเฉพาะของ Game of Life ของ Conway ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่านาฬิกาดิจิตอลที่ใช้งานได้ง่ายที่สุดที่เคยสร้างมา

ยกเว้นในทางเทคนิคแล้วมันไม่ได้สร้างขึ้น ค่อนข้างจัดระเบียบตนเองออกจากเงื่อนไขเริ่มต้นพื้นฐานของการจำลอง

คุณสามารถสำรวจการจำลองนาฬิกาเวอร์ชันสด ได้ที่ นี่ โปรดจำไว้ว่ามีเพียงสามสิ่งที่เล่น: เซลล์เริ่มต้นกฎพื้นฐานและการทำซ้ำซ้ำ

เกิดอะไรขึ้น?

Automata โทรศัพท์มือถือมีความคิดที่ยอดเยี่ยมมานานหลายทศวรรษเพราะแตกต่างจากธรรมชาติพวกเขาเป็นระบบที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนและกำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งตามสัญชาตญาณไม่ควรทำอะไรที่ซับซ้อน แต่พวกเขาก็ทำ

ดังนั้นพวกเขาจึงเป็นตัวแทนของรูปแบบการเกิดขึ้นที่บริสุทธิ์ซึ่งคล้อยตามการศึกษา อย่างไรก็ตามนี่คือสิ่งที่สิ่งต่าง ๆ ลึกลงไปเพราะพวกเขายังแสดงสิ่งที่เรียกว่า การคำนวณที่ลดลงไม่ ได้

ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าการจำลองจะมีความเรียบง่ายและกำหนดอย่างสมบูรณ์ แต่ก็ไม่มีวิธีที่จะทำนายได้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นนอกเหนือจากการจำลองการจำลองที่เฉพาะเจาะจงเพื่อค้นหา ไม่มีทางลัดที่ทำนายได้

นี่เป็นที่ที่ ทฤษฎีความโกลาหล เข้ามา (คิดว่าปีกของผีเสื้อ) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในสภาพเริ่มต้นสามารถเปลี่ยนผลลัพธ์ได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่นการมีเซลล์เพียงหนึ่งเซลล์ในตำแหน่งที่แตกต่างกันสำหรับนาฬิกาข้างต้นสามารถป้องกันไม่ให้เกิดใหม่ได้เลย

และมีอีกมาก ... อีกมากมาย

ดูเหมือนจะไม่มีขอบเขตบนเกี่ยวกับความซับซ้อนที่สามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้วิธีนี้เท่านั้น ด้วยพลังการคำนวณที่เพียงพอกริดอาจมีขนาดใหญ่กว่าด้วยเซลล์เริ่มต้นที่มากขึ้นและการจำลองทำงานนานขึ้น

Stephen Wolfram ให้การพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่า Automata มือถือกำลังทำสิ่งที่สมบูรณ์ ในที่สุดสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดสามารถรับรู้ได้โดยใช้กฎบางอย่าง

ตอนนี้นี่คือสิ่งที่สิ่งต่าง ๆ ที่น่าสนใจอย่างมากจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์และการคำนวณเพราะแม้แต่สิ่งที่เป็นพื้นฐานเหมือนกับเกมแห่งชีวิตของ Conway ก็สามารถสร้างการคำนวณที่ใช้งานได้

โครงสร้างเซลล์บางประเภทมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเช่นเครื่องร่อน สิ่งเหล่านี้สามารถย้ายเข้าไปในโครงสร้างอื่น ๆ และการโต้ตอบจากนั้นบินออกจากโครงสร้างไม่บุบสลายหรือกลืนกินและหายไปอย่างมีประสิทธิภาพ

พฤติกรรมนี้เลียนแบบประตูตรรกะ นั่นคือการโต้ตอบที่สร้าง 1 หรือ 0 ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการประมวลผลข้อมูลคอมพิวเตอร์ของเรา ในทำนองเดียวกัน Nand Gates ยังสามารถสร้างได้ซึ่งทั้งคอมพิวเตอร์และเซลล์ประสาทใช้เพื่อเรียกสัญญาณเฉพาะเมื่อมีเกณฑ์ที่แน่นอน

คุณลักษณะดังกล่าวช่วยให้เซลล์อัตโนมัติสามารถกลายเป็นเครื่องทัวริงสากลซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถเลียนแบบเครื่องจักรหรือคอมพิวเตอร์อื่น ๆ ได้

การคาดการณ์แนวคิดเหล่านี้ในระดับที่ N ด้วยพลังการคำนวณและเวลาที่เพียงพอมันเป็นทฤษฎีที่ว่าเซลล์อัตโนมัติสามารถสร้างการจำลองที่ซับซ้อนสูงที่สามารถสร้างความ ฉลาด ได้

ไปอีกระดับ

เราได้กล่าวถึงก่อนหน้านี้ว่า Game of Life ของ Conway เป็นหนึ่งในรูปแบบพื้นฐานที่สุดของ Automata โทรศัพท์มือถือ มีหลายวิธีวิธีการจำลองนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามกฎที่ใช้หรือเช่นโดยใช้กริดสามมิติหรือมิติที่มากขึ้น (ซึ่งคณิตศาสตร์อนุญาตอย่างสมบูรณ์แบบ)

พวกเขายังสามารถใช้ร่วมกับเครือข่ายประสาทเพื่อเป็นแนวทางในการจำลองสถานการณ์ที่ต้องการ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการวิจัยในพื้นที่นี้มีความคืบหน้าอย่างรวดเร็วด้วยผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์

การสำรวจรูปแบบเหล่านี้ได้เปิดเผยออโตมาต้าที่แสดงพฤติกรรมอินทรีย์อย่างน่าประหลาดใจรวมถึงเซลล์ชีวภาพที่เทียบเท่ากับเยื่อหุ้มเซลล์ นี่คือตัวอย่างบางส่วน

กระดาษแลนด์มาร์กหนึ่งชื่อเรื่อง ' Growing Neural Cellular Automata ' ใช้เทคนิคดังกล่าวเพื่อทำซ้ำความลึกลับของธรรมชาติที่เรียก ว่า morphogenesis Morphogenesis พบได้ในสิ่งมีชีวิตเช่นหนอนแฟลตโดยที่พวกมันถูกตัดครึ่งตัวแบนใหม่สองตัวใหม่จะเติบโต

ในการวิจัยนี้พวกเขาใช้การฝึกอบรมเครือข่ายประสาทเพื่อค้นหารูปแบบอัตโนมัติของโทรศัพท์มือถือมากกว่าที่จะสร้างภาพที่มั่นคงภายในการจำลองที่มีการโต้ตอบ

เมื่อภาพถูกรบกวนเช่นการตัดครึ่งมันจะ reapsembles ตัวเองหรือเติบโตเป็นสองภาพใหม่ การจำลองแบบอย่างใกล้ชิดของ morphogenesis ยังคงเข้ารหัสในสภาพเริ่มต้นและกฎการจำลองแบบง่าย ๆ

คุณสามารถลองใช้การจำลองแบบโต้ตอบด้วยตัวคุณเอง ที่นี่ โดยใช้ภาพของจิ้งจก

ทั้งหมดหมายความว่าอย่างไร?

มีประเด็นลึกลงไปสองสามประการ

ประการแรก John Von Neumann ได้สร้างการทำซ้ำครั้งแรกของ Automata โทรศัพท์มือถือโดยใช้ปากกาและกระดาษเท่านั้น สิ่งนี้เน้นจุดสำคัญที่ว่าการจำลองนั้นเป็นพื้นฐานอย่างมาก มิติที่ซ่อนอยู่ของความซับซ้อนนี้ดูเหมือนจะมีอยู่ - เราเพิ่งค้นพบมัน

ประการที่สองระบบที่วุ่นวายและการเกิดขึ้นที่เห็นในระบบธรรมชาติสามารถเลียนแบบผ่านเซลล์อัตโนมัติซึ่งหมายความว่ามันเป็นไปได้มากที่พวกเขามีความลับบางอย่างต่อธรรมชาติของชีวิต ถ้าเป็นเช่นนั้นเนื่องจากการจำลองนั้นขึ้นอยู่กับการประมวลผลข้อมูลความร่ำรวยที่เราเห็นการเพิ่มขึ้นของธรรมชาติอาจเหมือนกัน

สุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดเป็นไปได้ว่าเราแทบจะไม่มีรอยขีดข่วนพื้นผิวของสิ่งที่เซลล์อัตโนมัติสามารถกลายเป็นได้ ผ่านการประยุกต์ใช้การคำนวณที่เพิ่มขึ้นอย่างมากมันเป็นไปได้ที่การจำลองที่แสดงถึงความร่ำรวยและความซับซ้อนของโลกของเราอาจเกิดขึ้นได้ เป็นไปได้ว่าพวกเขามีพลังการคำนวณเสมือนจริงเพื่อสร้างสำเนาหรือการทำซ้ำของการจำลองใหม่ดังกล่าวภายในตัวเอง

หากเราตั้งสมมติฐานสิ่งนี้ให้เป็นไปได้มันจะเป็นคำถามที่ร้ายแรงมาก 'เราอาศัยอยู่ในเมทริกซ์' หากคุณไม่คุ้นเคยกับทฤษฎีการจำลองนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับความนิยมหลายคนในสาขาต่าง ๆ เชื่อว่าความจริงของเราอาจถูกจำลองได้ดี - ด้วยทฤษฎีที่น่าเชื่อถือมากที่จะสำรองพวกเขา

ถ้าไม่เช่นนั้นมันทำให้เกิดคำถามอื่น - ทำไมความเป็นจริงของเราจึงสามารถจำลองได้ผ่านรูปแบบของการเกิดขึ้นนี้? ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของการซื้อขายในเซลล์ออโตมาตาก็น่าหลงใหลอย่างน่าอัศจรรย์

หากคุณต้องการที่จะดำน้ำลึกเข้าไปในเรื่องนี้การเรียนรู้ของ Machine Learning Street Talk ได้ผลิตวิดีโอการสัมภาษณ์ที่ยอดเยี่ยมจากผู้เชี่ยวชาญในเรื่องที่ทันสมัย

‍