生命游戏，探寻生命和智能背后的隐秘法则 -- AI初体验3.0

楔子

2020年4月，新冠疫情仍在全球肆虐。前几天在网上看到了不幸的消息，英国数学家 John Conway因为感染新冠病毒去世，享年82岁。
在上世纪70年代，他曾发明了一款生命游戏（Conway’s Game of Life），在简单规则下可以呈现出复杂多变的现象，成为当时极客们的最爱，并引起了人们对生命和智能本质的思考。

“我们可以想象，像生命游戏这样的东西，只有一些基本规律，可能会产生高度复杂的功能，甚至是智能。它可能需要包含数十亿个正方形的网格，但这并不奇怪。我们的大脑中有数千亿个细胞。”
—— 史蒂芬·霍金

生命游戏

这是一个二维矩形世界，每个方格居住着一个细胞，生存或死亡；每个细胞与其周围八格细胞互为邻居，细胞会受邻居的影响而改变状态。

生命游戏的运行规则：

• 出生：死细胞周围恰好有3个活细胞，下一步就变成活的（三性繁殖！）；

• 幸存：活细胞周围有2~3个活细胞，下一步继续存活；

• 孤寂而死：活细胞周围少于2个活细胞，下一步死亡；

• 拥挤而死：活细胞周围多于3个活细胞，下一步死亡。

生命游戏世界的众生相

在生命游戏的简单规则下，在这个世界居住的细胞们会协同表现出极其复杂多变的状态组合。

稳定状态：

振荡状态：

移动状态

数学上可以证明，生命游戏是一种两状态图灵机，理论上可以实现所有逻辑运算，可以进行通用计算。也就是说，任意一种计算机能够完成的计算功能都可以通过这个“生命游戏”世界中的各种状态组合来实现。

生命游戏的哲学意义

长久以来，生命和智能一直是一个谜团。

遗憾的是，科学家们至今无法给出有广泛共识的生命定义，一般来说，生物是由细胞构成的，能够通过自身的新陈代谢来生存、生长和繁殖。但病毒并没有细胞，只有很少几个基因，而且要依赖其他生物体的细胞做宿主，才能复制和繁殖自身。1935年，化学家温德尔·斯坦利在实验室萃取溶液中首次观察到了烟草花叶病毒的结晶，这些病毒凝结而成的晶体，从各方面看都像一块无生命迹象的矿石，但当你把这些病毒放在烟草上，它们立即开始增殖，就像其他生命体一样。可以说，自然界的病毒，是介于生命和非生命之间的一种存在。

智能总是和生命联系在一起，我们也许会惊叹高山、溶洞等自然奇观，却永远无法夸赞一块石头聪明灵巧，即使它长得晶莹剔透，惹人喜爱。与此相反，当我们看到像蚂蚁、蜜蜂这样的小生物，在觅食、做巢时表现出复杂的行为时，总是为它们协调一致，解决问题的能力赞叹不已。

什么是智能？恐怕也不好下一个定义。在我看来，智能总是和一定程度的自由意志联系在一起，生物体面对外部环境的反应既有迹可循，但又没有一定之规，不像自然界的基础元素一样严格遵循物理和化学的规则。比如在生命游戏中，我们会观察到，这些方格构成的模式既非随机又非秩序，它们游荡于混沌与秩序的边缘。不经意间，会诞生一些看似非常对称的图形，例如一只美丽的蝴蝶，或是一艘宇宙飞船，但很快地，对称性就会被它们周围一些零散方格所打破。犹如一团在夜空中爆裂的烟火，绚烂之后终归于沉寂，但时空中的些微扰动，就会让夜空再次被点亮。

人们将这种由极其简单的规则蕴含了复杂表现的现象称为涌现（emergence）。简单地说，涌现可以被描述为整体大于部分之和，一些整体性的模式或行为无法被归结为个体的单独属性。我们不禁猜想，即便是像人一样的高等生物，其复杂的智能也可能是脑细胞和神经元在简单规则下的一些群集表现。

创造一个小世界

我可以用代码来创造这样一个生命游戏的世界，写这样一个小程序并不太复杂，大概也就100多行代码。为了让展示效果更炫目一些，我还把细胞设计成每一轮演进都随机变幻色彩。

由此我们可以成为这个小世界的主宰，像上帝一样设定规则，让整个世界像宇宙大爆炸一样开端，然后看这个世界的细胞居民一轮轮的演进，自下而上地涌现出类似生命的行为和繁复图象。你还可以改变生命游戏的标准规则，比如把幸存条件从2-3个邻居活细胞，提高为4个甚至更多，创造一个喜欢群居，依赖抱团取暖的世界；也可以把这个数量降低到1个，创造一个资源匮乏，极度需要保持社交距离的世界；你还可以更改初始生存细胞的分布密度，生成一个更拥挤或者更稀疏的世界，等等。

如果观察的足够细致和耐心，你很快就能在一局随机开始的生命游戏中，看到由细胞公民们聚合而成，前面提及的大多数运行图案。生命游戏可以在如此简单的规则下涌现出如此的复杂性，简直就是神迹。我经常为我眼前看到的一切目眩神迷，也许我正在观察着一个自然界的隐秘规律，这个规律揭示了生命和智能的发端。

上帝、造物主、神灵，或者大自然——无论你用什么方式称呼我们这个世界的主宰—— 也许并不像一个傀儡戏师傅，拉动所有的绳子，操纵一切的事情。就像牛顿所信奉的，上帝提供了“第一推动力”来设定我们这个宇宙的开端，然后不再下场直接干预，而只是透过自然法则来运作这个世界。也许上帝正像我们现在这样，观察着这个世界纷繁复杂的无穷变化，不时发出啧啧赞叹。