A new kind of science 一种新科学(第一部分/共4部分)

前些日子在网上看到了N多关于这本书的介绍，但似乎很多的评论都有一定的偏见，认为作者过分的宣扬了“新科学”这个字眼，有些哗众取宠，而实际内容则太过简单。而且据说这本书刚出来就一版再版，马上成为畅销书。于是我走到了图书馆开始自己来读，出乎意料的是，我找到了一些有价值的东西。至少值得肯定的是，作者论述科学思想几乎全部运用图形，没有枯燥的定理证明，这不能不让普通读者感到亲切。时间紧迫，我也仅仅是大致浏览了一下这本书，但把其中每一章的主要内容简单写出来，以便让更多的人了解它。 　　 　　1 The Need for a New Kind of Science 　　这一章讲述wolfram写作这本书的动机，以及作者发现自己的新科学的简单历史。原来wolfram在12岁的时候看到了一本物理书上的随机分子碰撞的图形就想到了要用计算机模拟这一切，于是开始了他的科学生涯。在之后的日子里，作者不断的产生新想法，又不断自己试图找到了答案，于是写成了这本书。这一章还介绍了与该书内容相关的N多领域，包括复杂系统、人工智能、人工生命、系统科学等等。 　　 　　2 The Crucial Experiment 　　 大致介绍书中的研究方法，用细胞自动机做实验，然后找到 该自动机的涌现规律。其中很多内容是关于一维细胞自动机的基本知识，包括如何对规则编码等等细节。 　　 　　3 The World of Simple Programs 　　这章开始介绍各种各样的计算模型，不仅仅是细胞自动机，还有移动自动机、图灵机、L系统、tag系统、寄存器计算机、符号系统等等模型。也许计算的类型多种多样，但是所有的计算系统的行为都可以大致分为wolfram的四类。这些模型提醒我们，虽然自然界的现象千奇百怪，但我们可能仅仅用一些简单模型就可以模拟。 　　 　　4 Systems Based on Numbers 　　 这章用丰富的图形展示给大家细胞自动机是怎样模拟数字运算系统，包括数论的运算，+—*/等，还包括微积分、微分方程等等。本章传达了这样一个信息：凡是基本数学能做的事情，简单的细胞自动机也都能做。 　　 　　5 Two Dimensions and Beyond 　　主要介绍二维的计算系统的行为，以及更多的计算模型，包括动态网络和约束生成系统。其中网络模型则可以直接应用于后面的物理系统，它有望最终解释究竟什么是时空。约束生成系统则直接跟复杂适应系统有关，作者认为复杂系统的适应性行为直接源于简单计算的满足约束行为。 　　 　　6 Starting from Randomness 　　 详细的讨论了四类细胞自动机的行为，也就是我们熟知的单一状态、周期、混沌、复杂类型。其中作者对后两种类型进行了比较详细的介绍。 　　 　　7 Mechanisms in Programs and Nature 　　介绍了什么是通用计算的概念，并讨论了随机性和复杂性。作者把随机性归为了三类，也就是全是由外部操作生成的随机、初始化微小扰动造成的随机，和系统内生的随机。对最后一种也就是说初始状态可能完全确定，最后行为也可能是随机的。本章还讨论了离散与连续、混沌于秩序、简单行为与复杂行为等问题。 　　 　　8 Implications for Everyday Systems 　　 主要讲述细胞自动机在物理系统中的应用，包括晶体问题、流体问题等等，另外，还有对生物世界多彩多样的花纹的解释。 　　 　　9 Fundamental Physics 　　我认为这章的内容很重要，首先，我们要有一个信念：这个世界就是一个计算机，每一件事情都是计算。在这个前提下，我们来看世界，怎样的宇宙才是从程序上最可行的呢？作者探讨了空间网络、因果网络等模型。究竟宇宙是不是一太计算机，我们实际上不能证伪，但是如果从程序的角度出发，却发现我们可以从一个完全不同的角度得到很多疑难问题的解答。在因果网络模型下，相对论、量子论等等都是系统涌现出来的一种结果。如果这一切正确的话，我们自然能得到一个统一量子论和相对论的工具。另外，本章提出来的时空观是非常关键的，因果网络是最本质的东西，时间和空间甚至都是涌现出来的现象。 　　 　　10 Processes of Perception and Analysis 　　 讲述把细胞自动机应用到计算机科学、人工智能、信息处理等领域的具体方法。视觉感知、加密解密、思维过程等等都有涉猎。 　　 　　11 The Notion of Computation 　　究竟什么是计算？在很早，丘奇图灵论题就指出，一切与图灵机等价的过程就是计算。那么细胞自动机与图灵机那个更强呢？通过作者特别的证明（运用图形和说明，而不是数学推导），我们看到一类特制的细胞自动机可以模拟任何一台其他的细胞自动机，而且还能模拟图灵机以及其他的计算系统。翻过来，图灵机和其他计算模型也都能模拟细胞自动机。实际上能够执行通用计算的机器仅仅需要简单的规则，也就是101号细胞自动机。作者认为101细胞自动机非常重要，因为它规则简单，而且能够模拟任意的复杂计算过程。 　　 　　12 The Principle of Computational Equivalence 　　 本章提出了一个猜想：The Principle ofComputationalEquivalence，也就是计算等价性原理，作者认为宇宙的一却活动都是一种计算，而且能够完成复杂计算的过程都是等价于通用计算的，所以，原则上讲，细胞自动机110能够模拟任何一个复杂的计算过程。作者当然也讨论了哥德尔定理、不可判定问题，认为对于第四类细胞自动机，我们除了运行它以外，根本无法判定它在未来的行为，即使在原则上，因为它是不可判定的问题。 　　 　　 　　 　　全本书大量的使用细胞自动机生成的图形来说明、叙述。其中字里行间，作者都表达了一个强烈的观点：宇宙的一切过程都仅仅遵循非常简单的运算，而且这个运算很可能就是101号细胞自动机，所以一切的奥秘也许就起源于这一种简单的规则。我认为比较有价值的是9章和后面两章。我们可以看到，之所以作者称其为新科学，是因为也许复杂系统中的所有问题都仅仅是一条规律制约着，这至少是作者的一个信念。