Science 版 (精华区)

发信人: zjliu (Robusting), 信区: Science
标  题: 第六章　混沌边缘的生命(2)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Dec 14 15:42:55 2002) , 转信

 

第六章　混沌边缘的生命(2)
　　冯·诺意曼对自我繁衍的分析作为思维实验来说是非常简单的。如果我们用更正式
一点儿的方式重申的话，冯·诺意曼说的是，任何自我繁衍系统的基因材料，无论是自
然的还是人工的，都必须具有两个不同的基本功能。一方面，它必须起到计算机程序的
作用，是一种在繁衍下一代的过程中能够运行的算法。另一方面，它必须起到被动数据
的作用，是一个能够复制和传给下一代的描述。
　　这个分析结果变成了一个令人震惊的科学预测：几年以后的1953年，华生和克拉克
终于拆解开了DNA的分子结构之谜。他们发现这个结构正好完全具备冯·诺意曼所指出的
两个基本要求。作为一个基因程序，DNA编入了制造细胞所需要的酶和结构蛋白的指令，
作为一个基因数据仓库，DNA的双螺旋结构在每次细胞分裂为二时都能解开和自我复制。
进化以令人羡慕的节俭方式将基因材料的这种双重本质嵌入了DNA分子本身的结构之中。

　　但还有其他的情况。当时冯·诺意曼知道，光有思维实验是不够的。他的关于在一
个池塘里的自我繁衍机器的想象仍然太具体，与过程的具体材料绑得太紧了。作为一个
数学家，他需要非常正式和完全抽象的理论。结果就有了后来被称为"分子自动机"这个
形式的理论。这是他的同事，住在罗沙拉莫斯的波兰数学家斯坦尼斯劳斯·乌兰建议的
。乌兰自己也一直在思考这些问题。
　　乌兰建议的是约翰·康卫二十多年前发明生命游戏时所用的框架。确实，康卫当时
非常清楚，生命游戏只不过是分子自动机的一个特例。乌兰对冯·诺意曼的建议是，最
根本的是要想象一个可编程的宇宙。在这个宇宙中，"时间"被定义为宇宙之钟的滴答声
，"空间"被定义为一个个分离的细胞格。每一个细胞都是一个极为简单的、定义抽象的
计算机，一个有限的自动机。在任何一个时间和任何一个细胞中，自动机都会只存在于
无限状态中的唯一一种状态中，它可以被想象成是红的、白的、蓝的、绿的、黄的，或
1、2、3、4，或死的、活的，或不管什么。而且，宇宙之钟每滴答一次，自动机就会转
入一种新的状态，这种新的状态是根据其当前的状态以及其邻居当前的状态所决定的。
宇宙的"物理规律"因此就会被编入其转换表内：就是能够告诉每一个自动机根据其邻居
可能转换的状态做出改变。
　　冯·诺意曼喜爱这个分子自动机的概念。这个系统简单抽象到能够进行数学分析，
但又能丰富多采到足以使他能抓住他正尽力想弄明白的过程。而且这又正好是一个你可
以实际在一台计算机上模拟的系统。起码从原则上来说是可以这么做的。1954年，冯·
诺意曼死于癌症，未能完成他对细胞自动机的研究，但应邀编辑冯·诺意曼在这项研究
上的所有论文的勃克斯后来编辑了他的成果，并填补了冯·诺意曼尚末来得及完成的细
节，于1966年以《自我繁衍自动机理论》为名结集出版。该书的要点之一是，冯·诺意
曼证明了起码有一种确实能够自我繁衍的分子自动机模型的存在。他发现的这个模型极
其复杂，要求大量的细胞格，而且每一个细胞有二十九种不同的状态。这是任何现有计
算机的模仿功能都无法胜任的。但这种自动机确实存在的事实回答了根本的原则问题：
一旦将自我繁衍看作是有生命的物体的独一无二的特征，那就能让机器也做到这一点。

　　朗顿说，当他读到所有这一切时，"他突然感到自信心大增。我知道我的思路没有错
。"他返回到他的苹果二型计算机上来，很快编写出了一个一般性功能的分子自动机程序
。这个程序能够使他在屏幕上观察彩色方块格的分子世界。苹果机只有64千字节分存储
量意味着，他只能把每个分子的状态限制在不超过八种，根本达不到冯·诺意曼的二十
九种自我繁衍状态的要求，但却仍然有在这种限制下找到一个自我繁衍系统的可能性。
朗顿运行了他编的程序，以此来尝试他想要的任何状态和任何转变表。他的程序中的每
一个细胞都有八种状态，这样他就只能得到十的三万次方的不同基因表的可能性。他着
手尝试。
　　朗顿早就知道，他的探索并不像表面看上去那样毫无希望。他在阅读中发现，泰德
·考德（Ted C0dd）已经在十多年前就发现了一种具有8种自我繁衍状态的模型。那时泰
德·考德在密西根大学读研究生，在一个叫作约翰·荷兰德的家伙手下干活。由于考德
的类型对苹果二型机来说仍然太复杂了，朗顿就想，也许通过对付这个模型的各个部分
，他能够在这种限制下找到比较简单的操作方法。
　　朗顿说："考德的自我繁衍状态的所有部件都像是数据途径。"那就是，考德的系统
八种状态中的四种起的是数据的作用，另外四种状态起到各种辅助作用。特别是，一种
状态起导体作用，另一种状态起绝缘体作用，这样共同组成让数据能够在细胞之间流动
的渠道，就好像铜线一样。所以朗顿从考德的"周期性发射体"结构开始入手：这基本上
就是一个回路，有一位数据就像钟表的分针一样在其间不断转圈，同时，回路的侧面长
出某种手臂，周期性地发射出在回路中绕圈的数据的复制品。然后朗顿就开始模拟这个
发射体，在其手臂上扣了顶帽子，这样信号就不会跑掉了，他用加上第二个环绕信号的
方式来做这顶帽子，并把规则表扭曲过来，让它永远这样。他知道，如果他能使手臂伸
出去，再向里弯过来，形成和第一个一样的回路，他就算做成功了。
　　这个实验进展得非常缓慢，朗顿每夜只工作很少几个小时，他妻子爱尔维拉已经尽
力耐住性子了。朗顿说："她关心我所感兴趣的事和我认为会发生的事，但她更关心的是
：我们该怎么办？我所做的这些能给我们带来什么结果？这些事对目前家庭状况的进展
会起到什么作用？这两年我们会在哪里？而这很难解释。你已经做了所有这一切，而你
所做的这一切又会怎么样呢？我并不知道，我只知道这很重要。"
　　朗顿只能坚持不断努力。"我不断在这儿取得一点儿进展、在那儿取得一点儿进展。
我先开始制定规则，然后完善它，再完善它，然后就把我自己逼到了死角。保留的规则
表灌满了十五张软盘，这样我就可以在备份后再从另一个角度开始。所以我不得不非常
小心地记录什么规则产生什么样的行为，改变了什么，我又备份了些什么，在哪一张软
盘上做的备份。"
　　从他最初读到冯·诺意曼到他最终得到他所想要的结果，一共花了两个月左右的时
间。他说，有一天晚上，所有的部分终于汇聚到了一起。他坐在那里看着那些回路伸出
手臂，又弯过来，形成新的、与前一个同样的回路，然后又继续形成更多的一模一样的
回路，这样无限继续下去，就好像生长着的珊瑚礁。他创造出了目前最简单的自我繁衍
分子自动机。"我激动得就像感情火山爆发。这是可能的，它真的发生了。这是真的。现
在进化具有了意义。这不是外部程序操纵表格的结果。这是自闭的，其生物体本身就是
程序。它是一个完整的体系。我一直在思索的这些事，一直觉得如果我尝试就有可能证
实的这些事，现在已经证明了是可能的。这就像可能性的一次塌方，像推倒了多米诺骨
牌，然后骨牌就不断倒下，不断倒下，一直倒下去。"
混沌的边缘
　　朗顿说："我的性格中有机械师的倾向，我总是想摆弄点什么，把它们组合起来，看
到它运作。一旦我真地拼成了某东西，任何疑虑就会随之消失。我可以看到人工生命从
这儿开始。"他非常清楚：既然他现在已经诞生了细胞自动化世界的自我繁衍机制，他就
得进一步要求这些模型在自我复制前能够执行某种任务，比如像找到足够的能源，或一
定数额的合适的组合部件。他必须建立很多这类的模型，这样它们之间就能相互为争夺
资源而展开竞争。他必须使它们具有四处周游、相互感觉的能力。他必须允许各种变化
的可能性，允许在繁衍中出现错误。"所有这些都是需要解决的问题。但现在一切都还不
错。我知道我能够在冯·诺意曼的世界里嵌入进化的机制。"
　　朗顿在获得了这个自我繁衍的分子自动机后，就重返校园，开始了另一轮的努力，
力争获得攻读跨学科的博士学位的支持。他会指着屏幕上不断展现的结构告诉人们："这
就是我想研究的。"
　　但仍然不成功。他得到的反馈比最初还要冷淡。他说："到了这个阶段，有太多的东
西需要向人们解释。但人类学系的人不了解计算和周期，更别提分子自动机了。'这和录
像的把戏有什么区别吗？'他们问。而计算机科学系的人对分子自动机也一无所知，对生
物学也没有丝毫兴趣。'自我繁衍和计算机科学有什么相干吗？'他们问。所以，当你力
图描绘整幅图景时，嘿，你在人们眼中就会像一个不折不扣的、喋喋不休的白痴。"
　　"但我知道我没有疯，"他说。"现在我觉得我的神志非常正常，比别人还要正常。事
实上，我担心的正是这一点。我相信疯子都会有这种感觉。"但不管朗顿的神志是否正常
，他在亚利桑那明显没有取得任何进展，是另寻出路的时候了。
　　朗顿写信给他以前的哲学导师，现在已经转到匹兹堡大学任教的韦斯利·塞尔蒙，
问道："我该怎么办？"塞尔蒙在回信中提出了他太太的建议："去向勃克斯求教。"
　　勃克斯？"我以为他已经过世了呢。他这个年代走过来的绝大多数人都已经过世了。
"朗顿说。但勃克斯却在密西根大学活得十分健康。而且，当朗顿开始和勃克斯通信后，
勃克斯就给予了他很大的支持，甚至安排他争取获得助教和助理研究员的经济资助。你
提出申请吧，他写道。
　　朗顿立刻就提出了申请。那时他已经得知，密西根大学的计算机与通讯科学研究在
他所追求的研究领域中享有盛名。朗顿说："对他们来说，信息处理是可以跨越一切的学
科，无论怎样的信息处理方式都值得研究。我就是冲着这一思想而申请去那儿的。"
　　不久以后，他收到了系主任吉顿·佛莱德（GideonFrieder）教授的来信。他在信中
写道："很抱歉，你的背景不合适。"他的申请没有被接受。
　　朗顿火冒三丈。他写了一封长达七页的信给予反击。这封信的主要意思是，你们搞
的什么鬼！？"这是你们声称自己生存和呼吸与共的整个哲学和目的，这也正是我所追求
的。而你们又对我说不？"
　　几个星期以后，佛莱德又给朗顿回了一封信，其大意是："欢迎来我系。"他后来告
诉朗顿："我就是喜欢周围有人敢对系主任说'不'。"
　　事实上，朗顿后来才知道，事情比这要复杂得多。勃克斯和荷兰德甚至都没有看见
他最初的申请。由于各种官僚和财政的原因，这个花了三十年才形成的涉猎广泛的计算
机与通讯科学系正要合并到电机工程系中去。而电机系的人对研究课题的看法要实际得
多。这种预期使佛莱德和其他人正在淡化像"适应性计算机科学"这样的研究。勃克斯和
荷兰德正在进行一场后卫战斗。
　　但不管朗顿幸运与否，他当时并不知晓这些。他只是对能被接受感到高兴。"我不能
失去这个机会，特别是当我已经知道我做的没错的时候。"爱尔维拉也愿意他一试。确实
，这样做她就必须放弃她在亚利桑那大学的工作，而且也远离了她在亚利桑那的娘家。
但考虑到自己已经怀上了第一胎，她觉得能够利用朗顿的学生健康保险也不错。另外，
尽管他们俩都喜欢西南部的气候，但觉得时不时看到密西根的乌云也蛮有意思。所以19
82年秋天，他们启程北上。
　　起码在知识上，朗顿在密西根大学收获颇丰。他作为勃克斯的计算机史课程的助教
，汲取了勃克斯亲历的早期计算机发展史料，协助勃克斯收集和展出了ENIAC机的一些最
初期的硬件。他遇见了约翰·荷兰德，为荷兰德的集成电路课设计和开发了能够极快地
执行荷兰德的分类者系统的芯片。
　　但大多数时间朗顿像疯了一样学习。正规语言理论、计算机复杂理论、数据结构、
编辑构建，他系统地学习以前涉猎过的零星知识。他乐此不疲地学习。勃克斯、荷兰德
和别的教授都要求甚严。朗顿在密西根大学期间，知道在一次博士资格面试中，他们几
乎给所有考生都打了不及格，不予转入博士候选人资格（失败者当然还有机会）。"他们
会问你课程之外的问题，你必须做出聪明的回答。我真的非常喜欢这种学习方式。仅仅
只是通过了考试与真正掌握了书本知识是很不相同的。"
　　但在学术政治领域，事情就没那么尽人意了。1984年年底，当朗顿结束了课程，获
得了硕士学位，通过了博士资格考试，正准备开始撰写博士论文时，他痛苦地发现，校
方不同意他想基于冯·诺意曼世界之上进行人工生命的进化研究。勤克斯和荷兰德的后
卫战以失败告终。1984年，过去的计算机与通讯科学系被并入了电机工程学院。在以电
机工程文化为主的新的环境中，勃克斯－荷兰德式的"自然系统"课程遭到逐步淘汰。（
这种情况以前和现在一直是使荷兰德真正感到愤怒的少数几件事之一。他最初曾经是最
赞同合并的人之一，相信自然系统的研究视角会被保留下来，而现在他感到好像被吞食
掉了。确实，当时的这种状况使荷兰德对参与桑塔费活动产生了更大的积极性。）但勃
克斯和荷兰德的勇猛精神使他们俩鼓励朗顿从事生物学性较淡些，而计算机科学性更强
一些的博士课题研究。朗顿承认，从实际的角度考虑，他们确实言之有理。"那时我已经
有了长足的见识，很明白冯·诺意曼的宇宙是一个极其难以建立并投入运作的系统。所
以我开始寻求某种在一、两年中可以完成的研究课题，而不是要花几十年才能完成的课
题。"
　　他想，与其去建立一个完整的冯·诺意曼式的宇宙，为什么不能只对其"物理学"做
一点儿研究呢？为何不能研究一下为什么某些分子自动机规则表允许你建立很有意义的
结构，而另外一些却不能呢？这起码是朝着自己的方向迈进了一步。这项研究也许既能
满足计算机科学的硬性规定，又能满足工程学的要求。无论如何，它都可能产生与真正
的物理学的某种有趣的关联。确实，分子自动机与物理之间的关联后来变成一个热门学
科。1984年，物理学界的天才史蒂芬·伍尔弗雷姆在加州理工学院时就指出，分子自动
机不仅包含了丰富多采的数学结构，而且与非线性动力学有着深刻的相似性。
　　朗顿发现特别吸引他的是，伍尔弗雷姆认为，所有分子自动机规则都可以被归纳为
四种普遍性等级。伍尔弗雷姆的第一等级包括所谓世界末日规则：不管你以何种活细胞
或死细胞的模型开始，所有一切都会在一或两步之内死亡。计算机屏幕上的方格会变成
单一的色彩。在动力系统术语中，这种规则具有单一的"吸引点"。那就是，这个系统从
数学上来说就像一块沿着盛着谷类食物的大碗底部滚动的大理石：无论这块大理石从大
碗的哪一侧开始滚动，它总是很快就会滚入碗底的中心点，即死局之中。
　　伍尔弗雷姆的第二等级稍微有了些生气，但只是稍微有一些。在这些规则之下，最
初任意分布在计算机屏幕上的活细胞和死细胞的模型会很快结合成一组静止不动的团块
，也许还有其它一些团块在那里发生周期性的震荡。这种自动机仍然给人以冻结停滞和
死局的印象。在动力系统术语中，这些规则似乎形成了一组周期性吸引者。那就是，在
凹凸不平的碗底有一些洞，大理石会沿其四周滚动不已。
　　伍尔弗雷姆的第三等级的规则走到了另一个极端：它们过于活跃了。这些规则产生
了太多活动，整个屏幕好像都沸腾了起来。一切都不能稳定，一切都不可预测。结构一
经形成就又打散了。在动力系统术语中，这些规则对应于"奇怪的"吸引子——这种状态
通常被称为混沌。它们就像在大碗内飞快而猛烈地滚动，永远无法安顿下来的大理
　　最后还有伍尔弗雷姆的第四等级规则，包括那些罕见的、不可能停滞在某一种状态
的规则。这些规则既不会产生冰冻团块，也不会导致完全的混沌。它们是连贯的结构，
是能够以一种奇妙的复杂方式繁衍、生长、分裂和重组的规则。它们基本上不能安顿下
来。在这个意义上，第四等级规则中的最著名的例子就是"生命游戏"。在动力系统术语
中，它们是……
　　而这正是问题之所在。在常规动力系统理论中，没有任何内容看上去符合第四等级
的规则。伍尔弗雷姆推测，这些规则就像是分子自动机的一种独特的行为表现。但事实
是，任何人都不知道它们究竟像什么，也没人知道为什么一条规则能够产生第四等级的
行为，而另一条规则如不能。发现一个特定的规则属于哪个等级的唯一办法就是对其进
行测试，看看它会产生什么行为。
　　对朗顿来说，这种情况不仅使他好奇，而且复活了他曾经对人类学产生过的那种"因
为它不在那儿"的感觉。这些规则似乎正是他想象中的冯·诺意曼宇宙的根本所在，正好
抓住了生命的自发涌现和自我繁衍的许多重要特征。所以他决定全力投入对这个问题的
研究：伍尔弗雷姆的等级之间是怎样相互关联的？是什么决定了某个特定规则属于某个
等级？
　　他立刻就有了一个想法。当时他正好在阅读动力系统和混沌理论方面的一些书籍。
他知道，在许多真正的非线性系统中，运动的方程式中包含了许多参数，这些参数起着
调节钮的作用，决定这个系统的混沌究竟达到何种程度。比如，如果这个系统是个滴水
的龙头，其参数就是水流的流速。或者，如果这个系统是兔群，其参数就会是兔子的出
生率和因繁殖过多而造成的死亡率之间的比值。一般来说，小参数值通常导致稳定的行
为：均速水滴、不变的兔群规模，等等。这与伍尔弗雷姆的第一和第二等级的停滞行为
非常相似。但当参数越变越大时，这个系统的行为就会变得越来越复杂——不同大小的
水滴、波动的兔群规模，等等——一直到最后变得完全混乱。到这个时候，这个系统的
行为就是伍尔弗雷姆的第三等级。
　　朗顿不太清楚这个描述如何容纳第四等级。但非线性系统与伍尔弗雷姆的等级之间
的类似性之大，到了不可忽视的地步。如果他能找到某种把相似的参数与分子自动机规
则相联系的方法，那么伍尔弗雷姆的等级就会呈现其意义。当然，他不能把参数和分子
自动机规则任意相联系。不管结果如何，其参数一定是从其规则本身得到的。也许他可
以衡量一下每条规则的反应度。比如，它导致中央细胞改变其状态的频率有多大。但会
有很多东西需要测试。
　　所以朗顿开始在他的计算机上为测试每一个让人半懂不懂的参数编写程序。（他到
密西根大学后最先做的事情之一就是在大功能、高速度的阿波罗工作站上将他在苹果二
型机上的分子自动机程序改进得更加完善。）这项工作没有取得任何进展。直到有一天
，在他对一个最简单的参数进行尝试的时候，希腊字母（λ），他这样称它，正好成为
任何特定的细胞都能"活"到下一代的概率。这样，如果一条规则的λ值正好是0.0，则任
何东西在第一步之后就都无法存活，其规则很明显是属于第一等级。如果其规则的λ值
是0．5，则删格就会沸腾着各种活动，平均有一半细胞活着，一半死去。那么我们可以
推测，这样一条规则属于第三等级的混沌。问题是，λ是否能够揭示介于两个值之间的
任何有趣的现象（超越0.5，"活着"和"死的"的作用就会正好相反，事情就可能再次变得
简单，直到达到1．0，又回到第一等级，这就像观察一张照片的底片的行为表现一样）
。
　　为测试参数，朗顿编写了一小段程序，这个程序能够告诉阿波罗机器用λ的一种特
殊值来自动产生规则，然后在屏幕上运作分子自动机，呈现这条规则的作用。他说："我
第一次运作这个程序时，取了λ值为0．5，心想我这是把它设定在一个完全任意的状态
。但我突然就开始获取第四等级的所有规则，这些规则一条接一条地出现！我想，'上帝
，这简直美妙得不可思议！'所以我对这个程序做了检验，弄明白了原来是程序中出现了
一个错误，会把λ设定在一个不同的值，而这凑巧正是这个等级自动机的关键值。"
　　朗顿纠正了这个程序错误后就开始系统地探测各种λ值。在非常低值的0.0上下，他
发现除了一片死气和冰冻的第一等级规则之外一无所有。当他把λ值稍稍增高，就发现
周期性的第二等级规则，当他把λ值再增高一些时，发现第二等级规则要安顿下来需要
花费越来越长的时间。如果他一下子就把λ值增高到0.5，就发现正如他期望的那样，出
现了完全混沌的第三等级规则。但在第二等级和第三等级之间，紧密地聚集在这个神奇
的λ"关键"值周围（大约为0．273），他发现了第四等级的所有规则。没错，"生命游戏
"也在其中。他目瞪口呆。不知为什么，这个简单的λ参数恰好将伍尔弗雷姆的等级落入
了他希望获得的那种顺序。他发现了第四等级得以发挥效用的地方，这个地方正是在转
变点上：
　　Ⅰ＆Ⅱ→"Ⅳ"→Ⅲ
　　这个顺序还指出了动力系统中的一个具有挑战意味的转变：
　　秩序→"复杂"→混沌
　　这里的"复杂"指的是某种第四等级的自动机规则所显示的让人永恒惊奇的动力行为
。
　　他说："这马上就让我想起某种相变现象。"假如你把参数λ想成是温度，就会发现
第一和第二等级规则λ的低值就像是冰一样的固体，其水分子牢牢地固化成了晶体格。
λ值稍高一些的第三等级规则就相应是水蒸气一样的气体，其水分子四处挥发，相互碰
撞，完全处于混沌状态。而在这之间的第四等级规则相应于什么呢？液体吗？
　　朗顿说："我对相变知之不多，但我钻入了所谓的液体分子结构之中。"这起初看上
去很有希望：他发现，液态分子通常会相互翻滚成一团，每一秒钟都要几十亿次地相互
结合、聚集、然后再次打散，与"生命游戏"非常相似。"某种类似'生命游戏'的东西在分
子这个层次上就像一杯水一样能够一直持续下去，这种说法对我来说似乎很有说服力。
"
　　朗顿非常喜欢这个概念。但当他对此做进一步思考时，他开始意识到，这不十分正
确。第四等级规则通常能够产生"延长瞬变值"，比如"生命游戏"中的滑翔机，一种能够
在任意长的时间里存活和繁衍的结构。在通常情况下，液体不会表现出这种分子层次上
的行为现象。众所周知，液体能够像气体一样，完全处于混乱状态。确实，朗顿得知，
将温度和气压增大到一定的程度，你可以让水蒸气直接变成水，根本就不需要经过相变
。总的来说，气体和液体只不过是单个物质流动状态的两种表现。所以其间的区别并不
是根本性的，液体与"生命游戏"的相似性仅仅是表面现象。
　　朗顿又回到物理学教科书上继续阅读。"我终于找到了第一秩序与第二秩序之间相变
的基本区别。"第一秩序相变是我们都熟悉的：剧烈而准确无误。比如，把冰块加温到华
氏32度，冰块立刻就会化成水。分子基本上是被迫在秩序与混沌之间做非此即彼的选择
。在低于发生转变的温度下，分子会振荡缓慢，足以保持结晶体秩序（冰块）。但在温
度高到转变点之上时，分子就会剧烈振荡，分子键断裂的速度要大于其形成的速度，分
子被迫选择混沌（水）。
　　朗顿得知，第二秩序相变的本质很不寻常（起码是在人类习惯其间的温度和气压下
）。但这种相变相当温和，主要是因为这个系统的分子不用做出非此即彼的选择。它们
结合混沌和秩序。比如，在达到转变温度之上时，大多数水分子相互翻滚，处于完全混
乱的状态：流体阶段。然而，在相互翻滚的水分子中有成千上万极其微小的、有秩序的
、呈格化的岛屿，其水分子经常在边缘线上解体和重新结晶。这些岛屿即使就其分子规
模而言，也是既不非常大，也不非常持久的。所以这个系统仍然接近混沌。但随着温度
下降，最大的岛屿开始变得非常之大，存在的时间也相对延长。混沌和秩序之间的平衡
开始起变化。当然，如果温度一下子上升到超过转变点，其作用就会被扭转：物体的状
态就会从布满岛屿的流体之海变为布满流体之湖的固体大陆。但如果温度恰好处在转变
点上，其平衡就会尽善尽美：有秩序的结构之量与混沌的流体之量正好相等，秩序和混
沌相互交织在微臂与碎丝的舞蹈之中，呈现出复杂而永恒变化的状态。最大的秩序结构
会将其只做空间和时间上任意长的伸延。没有任何东西能够真正安顿下来。
　　当朗顿发现"这正是最关键的关联！这与伍尔弗雷姆的第四等级正好相似"时，他感
到非常震惊。一切都包括在这里了。能够繁衍的、滑翔机式的"延长的瞬变值"、永不静
止的动力、能够生长、分裂和重组的结构之舞呈现出来的令人永恒惊奇的复杂——这一
切实际上界定了第二秩序的相变。
　　所以，朗顿现在又有了第三个类比：
　　分子自动机等级：
　　Ⅰ＆Ⅱ→"Ⅳ"→Ⅲ
　　动力系统：
　　秩序→"复杂"→混沌
　　物质：
　　固体→"相变"→流体
　　问题在于，还存在比这个类比更大的意义吗？朗顿重又回到研究之中，对物理学家
的所有统计测试做了调整，将之应用到冯·诺意曼的宇宙之中。当他把λ的作用结果绘
制成图表后，其图表看上去就像直接从教科书上拷贝下来的一样。物理学家看了后会大
喊："二级相变"。朗顿不知道为什么他的λ参数会运作得这么好，或为什么它与气温如
此类似。（确实，到现在也没有人真正理解这一点。）但谁也不能否认这个事实。二级
相变真实存在，不只是一个类比。
　　朗顿会经常随心所欲地给这种相变起名字："趋向混沌的转变"、"混沌的边界"、"混
沌的开始"。但真正能让他抓住本质感觉的名字是"混沌的边缘"。
　　他解释说："这个名字让我想起了学习潜游时所经历的一种感觉。我们大多数时候是
在离海岸非常近的地方潜游，那儿的海水晶莹剔透，能清清楚楚地看到六十英尺的深处
。但有一天我们的教练把我们带到大陆架边缘，那儿，六十英尺深度的晶莹剔透变成了
八十度的斜坡，深深滑向深不可测的海水中。我相信，那个斜坡从上到下的水深变化在
两千英尺。这使我认识到，我们曾经做过的潜水，尽管在当时显得冒险而大胆，但实际
上不过是在海边的嬉耍。比起'大洋'来，大陆架不过水坑而已。"
　　"生命浮现于海洋之中，而你生存在其边缘，欣然于海水流动中无穷的养分。这就是
为什么'混沌的边缘'这个说法带给了我非常相似的感觉：因为我相信生命同样也起源于
混沌的边缘。我们就生存在这个边缘，欣然于物质所提供的养分……"
　　当然，这是一个很诗意的说法。但对朗顿来说，这个信念远非只是诗意而已。事实
上，他越想越觉得相变与计算机之间、计算机和生命本身之间，有着非常深刻的联系。

　　当然，这种联系可以直接追溯到"生命游戏"。朗顿说，1970年，当这个游戏被发明
出来以后，人们注意到的第一件事就是能够繁衍的结构，比如能够载着信号从冯·诺意
曼宇宙的这一端滑翔到那一端的滑翔机。确实，你可以把一群滑翔机的单列滑翔想成是
一串二进制数位："滑翔机出现"＝1；"滑翔机消失"＝0。当人们接着玩下去，就会发现
各种能够储存这种信息，或放射新的信息信号的结构。事实上，人们很快就清楚了，"生
命游戏"结构能够用来建造一台有数据储存功能、信息加工能力和其它所有功能的完整的
计算机。"生命游戏"计算机可以和该游戏所借助运作的计算机毫不相关，不管那是什么
样的计算机，是PDP－9、苹果二型机，还是阿波罗工作站，都只不过是能够让分子自动
机运作起来的发动机。不，"生命游戏"能够完全存在于冯·诺意曼的宇宙之中，完全以
朗顿的自我繁衍的模式存在。确实，它是一台原始的、效率不高的计算机。但从原则上
来说，它确实存在，它会是个通用计算机，其功率足以使其能够计算任何可以被计算的
东西。
　　朗顿说，这是一个十分让人吃惊的结果，特别是当你考虑到只有相对非常少的几条
分子自动机规则就能做到这一切时。你可以用第一等级和第二等级规则控制的分子自动
机来建造一台这样的通用计算机，因为它们产生的结构过于呆滞，你可以将数据储存在
这样一个宇宙之中，但你却不能在这样的计算机上四处繁衍信息，也无法建造一台第三
混沌等级自动机的计算机。因为在这之上信号会很快丢失，所储存的结构也会很快变成
碎片。朗顿说，确实，能够使你能建造一台通用计算机的唯一规则存在于像"生命游戏"
这样的第四等级之中。这些是唯一既能够提供足够的稳定性来储存信息，又能够有足够
的流动性可以在任意的距离之间传送信号的规则。而足够的稳定性和足够的流动性是计
算机的关键。当然，这些也是在混沌边缘的相变中出现的规则。
　　朗顿认识到，在这里，相变、复杂性和计算机都被包括于其中了。或起码，它们都
被包括在冯·诺意曼的宇宙中了。但朗顿相信，对于现实世界——从社会体系、经济制
度到活细胞——都存在相同的关联性。一切现实生活的情形都是一样的。因为一旦你开
始运作计算机，你就是在深入生命的本质。"生命有赖于信息处理的程度高到令人不可思
议。"他说。"生命储存信息，画出感官信息的地图，再把信息进行某种复杂的转换而产
生行动。英国生物学家里查德·达金斯（Richard Dawkins）举过一个非常好的例子：如
果你拣起一块石头，把它抛向空中，它会呈一条漂亮的抛物线落下。这是因为受制于物
理定律。它只能对外界对它的作用力做出简单的回答。但如果你把一只小鸟抛向天空，
它的行为决不会像石块一样，它会飞向树丛的某处。同样的外界力量当然也作用在这只
小鸟身上。但小鸟体内处理了大量它接收的信息，这使它产生了飞向树丛的行动。即使
是简单的细胞也同样会如此：它们的行为和无生命的物质的行为是不同的。它们并不只
是对外力做出简单的反馈。因此，对于有生命的物体，一个有趣的问题是：受制于信息
处理的动力系统在什么样的情况下从只会对物理力量做出简单反馈的物质中脱颖而出的
？"
　　朗顿说，为了回答这个问题，"我拿出相变眼镜，观察计算机的现象学。这里有许多
相似性。"比如，当你上计算机理论课时，你首先要学的就是区分"停止"程序——即接收
到一系列数据就在一定的时间内产生答复的程序——和永远在运转的程序。朗顿说，这
就像区分在相变之上和之下的物质行为一样。在这个意义上，物质经常在用"计算机"计
算如何在分子层安排自己：如果很冷，则很快就能作出完全凝固成晶体的回答。但如果
很热，则完全无法作出回答，只能以流体的形式存在。
　　他说，这种区别也近似于分子自动机最终因冻结成固定的型态而停止的第一等级、
第二等级与分子自动机沸腾不止的第三等级混沌状态之间的区别、比如说，有一个程序
刚刚在屏幕上打出"你好，世界！"的字样，然后就消失了。这样的程序就相对于第一等
级分子自动机λ为0．0的低值，所以几乎立刻就停止安静了下来。相反，如果一个程序
有一个严重的错误，所以它在屏幕上打出一串串永不重复自己的乱码，这样的程序就相
应于第三等级的分子自动机，其λ值介于0．5，这时混沌程度最为严重。
　　接下来，假如你离开两个极端，趋于相变。在物质世界里，你会发现瞬变值滞留的
时间越来越长。那就是，当温度越来越接近相变，分子就需要越来越长的时间来做出自
己的决定。同样，当λ从0增至冯·诺意曼的宇宙，你就会发现，分子自动机在停顿下来
之前会剧烈搅动一会儿，而运转多久有赖于它们原初的状态。这就相当于计算机科学中
的所谓多项式时间算法——也就是在停止之前必须做大量的计算，但计算的速度相对很
快、也很有效。（多项式时间算法经常出现在碰到像名单分类这类繁杂的问题时。）但
当你进一步观察，当λ更接近相变时，你会发现分子自动机会剧烈搅动相当长一段时间
。这些相当于非多项式时间算法，某种永不停息的状态。这种算法完全无效。（一个极
端的例子就是用尽力前瞻每种可能性棋步的办法下象棋的软件程序。）
　　如果正好处在相变时呢？在物质世界里，一个特定的分子也许会在一个有秩序的阶
段，或流动的阶段兴奋起来，而在这之前却无法知晓，因为秩序和混沌在分子层紧密交
缠。同样，第四等级规则也许是一个冻结的型态，也许不是。但不管产生怎样的型态，
混沌的边缘的相变相对应的是计算机科学家所谓的"不可决定的"算法。这些算法也许会
因为某种输入而很快停滞下来，就像用一个已知的稳定结构开始玩"生命游戏"。但它们
也许因为另外一种输入而永不停止地运作下去。关键在于，你无法总是能预先知道会出
现何种情况，就是在原则上也无法预测。朗顿说，事实上，甚至有一个定理阐述了这种
效应：这是英国逻辑学家爱伦·图灵（Alan Turing）在三十年代证明的"不可决定的定
理"。这个定理基本上是说，不管你认为自己有多么聪明，总会有算法能够超越你的事先
预测能力。发现这些算法会产生什么结果的唯一办法就是运作这些算法。
　　当然，这些正是你想用来模拟生命和智能的算法。所以"生命游戏"和其它第四等级
的分子自动机与生命如此相似是毫不奇怪的。它们存在于唯一的动力王国，复杂，计算
机和生命本身有可能存在其中：那里就是混沌的边缘。
　　现在朗顿有了四个非常详尽的类比——
　　分子自动机等级：
　　Ⅰ＆Ⅱ→"Ⅳ"→Ⅲ
　　动力系统：
　　秩序→"复杂"→混沌
　　物质：
　　固体→"相变"→流体
　　计算机：
　　停止→"不可决定"→非停止
　　还有第五个和更多的假设：
　　过于稳定→"生命／智能"→过于喧闹
　　但所有这些又有什么意义呢？朗顿判定："固体"和"流体"不只是物质的两种根本的
状态，就像是水和冰那样，而是一般动力行为的两种根本的等级，包括像分子自动机规
则的空间，或抽象算法的空间这样彻底的非线性王国的动力行为。他还进一步认识到，
这两个动力行为的根本等级的存在，意味着第三种根本等级的存在：混沌边缘的"相变"
行为。在混沌的边缘，你会碰到复杂的计算机，很可能碰到生命本身。
　　难道这意味着有一天你也许能写出相变的一般性物理规律，包括能够解释水的冻结
和溶解、以及生命起源的奥秘？或许吧。也许生命起源于四十亿年前的初始原汤，起源
于某种真正的相变。朗顿不知道。但他无法抗拒这样的想象：生命确实是永远力图在混
沌的边缘保持平衡：一方面始终处于陷入过分的秩序的危险之中，另一方面又始终被过
分的混乱所威胁。他想，也许这就是进化：这不过是生命学得越来越善于控制自己的参
数，以使自己越来越能够在边缘上保持平衡的过程。
　　谁知道呢？把这一切都搞清楚要花费毕生的精力。1986年，朗顿终于让工程学院接
受了他把他对计算机、动力系统和分子自动机中的相变的概念作为博士论文的题目。但
他还要做许多工作才能建立基本的框架，使其足以满足他的论文指导委员会的要求。
继续前进
　　两年以前，在1984年6月，朗顿曾参加了麻省理工学院的分子自动机会议。有一天午
餐时，他凑巧坐在一个又高又瘦、梳着马尾巴发型的家伙旁边。
　　"你在研究些什么？"法默说。
　　"我真不知道该怎么形容它。我一直把它称为人工生命。"朗顿答。
　　"人工生命！嗬，我们得好好谈谈！"法默惊叫道。
　　所以他们就谈开了。会议结束以后，他们通过电子邮件继续交谈。法默安排朗顿到
罗沙拉莫斯来参加了好几次学术讨论，（确实，正是在1985年5月的"进化、游戏和学习
"学术会议上，朗顿就他的λ参数和相变研究做了第一次公开演讲，给法默、伍尔弗雷姆
、诺意曼·派卡德和其他与会代表留下了深刻印象。）这段时间也正好是法默与派卡德
、考夫曼一起为生命起源问题忙于自动催化组模拟的时候——更别说法默那时正帮着创
建桑塔费研究所——那时他本人正好也深深卷入到对复杂性问题的研究中。他觉得朗顿
正是他需要与之协作的人。而且，法默曾经也是反战活动参与者，所以能够让朗顿相信
，在核武器实验室从事科学研究并不像表面看上去那么不可思议。法默和他的小组的研
究人员所从事的研究完全是非机密、非军事的，你可以把这种研究想成是把一些"肮脏"
的钱用于正当的用途。
　　结果，1986年8月，朗顿接受了罗沙拉莫斯非线性研究中心博士后的工作，偕同妻子
和两个小儿子一起南下新墨西哥。这次搬家让爱尔维拉大松了一口气。在密西根过了四
年雪雪雨雨的日子，她简直等不及再次回到阳光下。而对朗顿来说这也是件极好的事情
。非线性研究中心正好是他想去的地方。在完成博士论文之前他确实还有一些计算机上
的工作要做，但博士生在尚未毕业之前就接受第一份博士后工作也是很寻常的事。他应
该能够在几个月之内结束博士论文的全部工作，获得博士学位。
　　然而事情却并不那么顺利。朗顿要在罗沙拉莫斯完成他的计算机实验需要用工作站
。从原则上来说，这并不成其为问题。他到罗沙拉莫斯的时候，非线性研究中心的SUN微
机系统早已运到了，安装所需的所有电缆线和硬件也都早已到位。但真要在SUN上继续计
算机实验却变成了一场恶梦。计算机的各部件还分散在各楼和拖车里，研究中心的物理
学家们完全不知道怎样才能使系统运行起来。"既然我是学计算机的，他们就认为我肯定
知道该怎么办。所以我就变成了我们这个领域的系统维护员和计算机管理员了。"朗顿说
。
　　当时荷兰德和勃克斯共同主持朗顿的博士论文指导委员会，他在朗顿来后不久也作
为访问学者来到罗沙拉莫斯。他看到这种情况很吃惊。"朗顿真是个好人。任何时候任何
人在应用网络或工作站上出现问题，都会来找朗领。朗顿毕竟是朗顿，不管花费多少时
间都会帮他们解决问题。我到研究中心后的最初几个月中，朗顿在这方面花费的时间比
花在任何方面的时间都多。他把电线穿墙拉过来，把系统的各方面都调试通，却把自己
的博士论文搁置一边。"
　　荷兰德说："勃克斯、我和法默一直在督促朗顿尽快完成博士论文。我们总是提醒他
：'听着，你必须获得学位，否则你以后会后悔的。'"
　　朗顿完全明白这是什么意思。他和他的导师们一样急着想完成博士论文。但就是当
系统已经安装完毕，能够正常运转了，他还得把所有的计算机编码从密西根大学的阿波
罗工作站上转写到罗沙拉莫斯的SUN工作站上。这真是件让人心烦的事。然后他又开始筹
备1987年9月的人工生命研讨会。（他来罗沙拉莫斯的合同中就有来后组织这样一个研讨
会的内容。）"没办法，总是事与愿违。在来罗沙拉莫斯的第一年，我在分子自动机研究
上什么也没做。"
　　朗顿真正做成的就是这个研讨会。确实，他尽自己所能投入了进去。"我急于想回到
人工生命研究中去。在密西根大学时我在计算机方面做了大量的阅读，做得非常艰苦。
如果你用'自我繁衍'做关键字来查阅，会发现有关资料多得有如洪水爆发。但当你用'计
算机和自我繁衍'做为关键字来查阅时，你就会什么也找不到。但我不断在那些稀奇古怪
的、非常规的文章中寻找。"
　　他能够感觉到，这些写稀奇古怪的、非常规的文章的作者就在某些地方，他们是一
些和他一样的人，全凭自己的努力来尽力追踪这种怪异的感觉，但却不知道这种感觉究
竟是什么，也不知道世界上还有谁在进行这方面的研究。朗顿希望能找到这些人，把他
们召集到一起，这样他们就能够开始形成一个真正的科学学科。但问题是怎么达到这一
个目的。
　　朗顿说，最终只有一个办法："我只能宣布要召开一个人工生命的学术会议，让我们
看有谁会来参加。"他认为，人工生命仍然是个很好的招牌。"自从到亚利桑那大学开始
我一直用它做名称，人们立即就能明白其含义。"另一方面，他认为让人们对这个术语的
含义一目了然十分重要，否则全国各地都会有人跑来演示匆忙拼凑的录像游戏。"我花费
了很长时间，大约有一个月的时间，来斟酌邀请函的措词。我们不希望这个学术会离题
太远，或太具有科学幻想性，但同时我们也不希望仅仅局限在DNA数据基础上。所以我把
拟好的邀请函先在罗沙拉莫斯传阅了一遍，然后再进行修改，一遍一遍地反复斟酌。"
　　当邀请函修改到令他满意以后，如何把这些邀请函寄发出去的问题又接踵而来了。
通过电子信件的办法来寄发也许比较好？在UNIX操作系统上有一个寄发信件的公用程序
，这个公用程序有一个人人皆知的毛病，可以用来在寄发电子信件时让这个信件同时进
行自我复制。"我想过要利用这个错误在计算机网络上发布自我复制的会议通知，然后再
令它自行取消。但再一想却觉得不妥，这不是我想要的联系方式。"
　　现在回想起来这样做是对的。两年之后，1989年11月，康奈尔大学的一个名叫罗伯
特·毛利斯（Robert Morris）的研究生想利用这个同样的错误来编写计算机病毒，结果
由于编程错误而使病毒失控蔓延，差点儿毁了美国整个学术界的计算机网络。朗顿说，
即使是在1987年，计算机病毒也是他不想在会议上讨论的题目之一。从某种意义上来说
，计算机病毒是自然的，它们能够生长、繁衍。对环境做出反应，一般以碳为基础的生
命形式能做到的一切它们都能做到。它们是否真是"活"的，一直是一个很有意思的哲学
问题。但计算机病毒也是很危险的。"我可不愿意鼓励人们跟计算机病毒寻开心。坦率地
说，我不知道如果我们在研讨会上谈论计算机病毒，实验室的人是否会走进来说：'不，
你们不能谈论这个话题。'我们不能招惹一批游手好闲的计算机玩家到罗沙拉莫斯来破坏
这儿的计算机系统的安全。"
　　朗顿说，不管怎么样，最后他只是通过邮寄的方式将会议通知发给了所有他认为也
许会对这个会议感兴趣的人，并请他们向别的人传递会议召开的消息。他说："我一点儿
也不知道究竟有多少人会来，也许只有五个人来，也许会来五百个人，我一点儿把握都
没有。"
　　结果来了一百五十人，包括一些表情显得有些困惑的记者，他们来自《纽约时报》
和《自然》杂志等报刊杂志。"结果我们吸引了最应该被吸引来的一群人。这群人中有一
些是狂客，有些是尖酸刻薄的嘲讽者，但大多数都是稳当扎实的学者。"当然也有罗沙拉
莫斯和桑塔费的常客，像荷兰德、考夫曼、派卡德和法默。英国生物学家里查德·达金
斯，《自私的基因》（The Selfish Gene）一书的作者，从牛津赶来谈他的模拟生物形
态进化的计划，阿利斯蒂德·林登美尔（Aristid Lindenmeyer）从荷兰赶来谈论他的计
算机模拟胚胎发育和植物生长，已经在他的《科学美国人》杂志（Scientific America
n）的"计算机娱乐"栏目中大力宣传了此次会议的蒂德内（A.K.Dewdney）也赶来组织计
算机演示。蒂德内还举办了"人工4－H"竞赛，从中选出最优秀的计算机创造物。来自格
拉斯哥的格雷汉姆·坎斯－史密斯（Graham Cairns－Smith）前来讨论他的关于微观黏
土晶体表层的生命起源理论。来自卡内基麦伦大学的汉斯·莫拉维克（Hans Moravec）
要谈谈关于机器人的问题。他相信机器人总有一天要主宰人类。
　　这类的与会者还有许多。对大多数发言者要说些什么，朗顿直到他们站起来发言时
才知道。"这次会议对我来说是一次很强烈的感情经历。我再也不可能有第二次这样的经
历了。所有的人都在独立地从事人工生命的研究。他们躲在一边研究，而且经常是在家
里研究。然而每个人都有这样的感觉：'这里面肯定有什么奥秘。'但他们不知道向谁求
助，参加会议的所有人都怀有同样的不能确定的疑虑，怀疑是不是自己疯了。到了这个
会议上我们差不多都要相互拥抱了。这是一种真诚的同志的友情。一种'也许我是疯了，
但所有这些人也都疯了'的感觉。"
　　他说，所有的学术报告都没有任何突破性的进展。但在所有发言中都能看到其潜力
所在。学术报告的题目广泛到从模拟蚂蚁王国的集体行为、用集合语言的计算机码编写
的数据化生态平衡系统的演化、到黏稠的蛋白分子自我集合成病毒。"看到这些人自己独
立研究到如此深入的地步真令人心驰神往。"朗顿说。而更令人振奋激动的是看到同样的
主题重复出现：基本上每一篇学术报告都提到，流体本质的、自然的、"类似生命的"行
为似乎是从最底层冒出来的规则，是没有中央控制的涌现现象。你已经能感觉到一门新
兴的科学正在形成。"这就是为什么我们告诉大家到会议结束时再把论文提交上来。因为
只有当听完其他人的想法时，大家才能对他们所思考的东西看得更清楚。"
　　"很难准确地说明研讨会上究竟发生了什么事。但百分之九十的内容是在鼓励大家不
断取得进展。到离开时，我们大家仿佛都感到已经摆脱了所有的束缚。在这之前，我们
听到的所有的话都是'停止'、'等等'、'不'，正像我不能在密西根大学做一篇关于人工
生命的博士论文那样。但现在，所有的话都在说："行、行、行，对、没错"！
　　"我太兴奋了。这好像是一个完全改变了的意识状态。我觉得这好像是一片灰色物质
的大海，各种思想和概念荡漾漂游其中，自我组合，相互传递。"
　　他说："这五天简直生气活跃得不可思议。"
　　会议结束以后，朗顿收到了东京大学一位与会者的电子信件。他说："研讨会议程安
排得太紧了，我没有时间告诉你，当第一颗原子弹投扔到广岛时，我正好在那里。"
　　他对朗顿再次表示感谢。他说，在罗沙拉莫斯参加会议，讨论生命的技术，使他度
过了最兴奋的一周。
 




--

※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]