生命游戏数学 (数学天才的游戏)

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生命游戏数学,数学天才的游戏

俗话说水火不能相容,如果在一个人尤其是数学家身上,同时存在互相对立的“双重人格”,那么想不被关注恐怕也是困难的事情。下面要向大家介绍的正是这样一位特殊人物:

生命游戏数学,数学天才的游戏

就其外在表现方面,他的言行举止完全不修边幅,披头散发衣衫褴褛,满脸络腮胡子,走到哪儿常常赤脚席地而坐, 如同玩世不恭的嬉皮土,甚至接近难登大雅之堂的乞丐小丑。

他的家和办公室都是近乎垃圾场般的存在,随处可见堆积如山的论文、书籍、笔记本、信件、模型、图表,过期发酸的牛奶,变味的咖啡,千奇百怪的玩具堆满了所有的桌子、椅子,甚至直接堆放在地板上,让人在室内行走都得小心翼翼。

没有人要他这样做,他这样做也没有任何企图。用他自己的话说:“我觉得这样干是很自然的。我不想自命为一个严肃、纯正而循规蹈矩的数学家。”这副不可救药的作派,为其赢得了“疯子”的绰号。

所以,当他听任17个月大的小儿子在其头上拉屎拉尿,在接受美国院士的提名颁奖时,只穿了件绿色的跑步T恤,熟悉他的朋友都见怪不怪。

而他的实际身份却是常青藤名校的教授,一名货真价实的杰出数学家。满腹经纶造诣精深,在专业领域获得非同凡响的成就。令人惊讶的是,生活的杂乱无章竟然对他过人的洞察力起到了积极作用。

他成天习惯信手涂抹,各种数学证明总是写在废纸角上,写完以后便置之不理,许多手稿成了一去不复返的垃圾。这似乎并无大碍,因为一旦需要的时候,他会再起炉灶重新来过, 总能得到自己想要的,而重新推演的结果较之前更为完美精炼、深刻透彻。

更值得一提的是,他长期不务正业,特别喜好琢磨稀奇古怪的游戏,却在无心插柳的潜心研究中构造了数学与生物学的关联。他便是普林斯顿大学的数学教授约翰·何顿·康威(John Horton Conway,1937-2020)。

康威出生于英国利物浦,幼时就对数学产生深厚的兴趣,年仅4岁便展现出过人的数学天赋。中学时代,成绩优秀、内向腼腆的康威得到一个非善意的绰号“玛丽”。11岁时,被问起长大后的理想,他说:“我想去剑桥,研究数学。我不是玛丽,而要做教授。”

于是,他又有了一个新的绰号“教授”。显然,这个绰号同样不怎么友好。但事实是,后来康威果然考上了剑桥专攻数学,博士毕业后,他在剑桥大学成为讲师,再后来就成了普林斯顿大学的教授。

在剑桥授课期间,他很快成为“最有魅力的讲师”。因为康威风趣幽默,教学风格生动活泼,擅长将深奥的数学道理深入浅出。比如在讲对称性时,他会带一个大萝卜,把它切成二十面体,边讲解边把剩下的萝卜吃掉。

同时,他也开始沉迷于各种让思维天马行空的游戏:在研究室一连玩好几个小时双陆棋,给国际象棋编写其他规则,甚至自己发明新的游戏,比如使用纸笔就能完成的拓扑学游戏 “豆芽”,以围棋为基础的博弈游戏“天使与魔鬼”。

然而,康威很清楚自己没有任何研究成果。他担心自己的数学灵魂会就此枯萎:“我很沮丧,没能实现自己的誓言”。转机发生在1967年,康威开始潜心钻研李奇晶格(用来描述24维球体的堆积问题)的对称性,并很快在研究成果的基础上,取得群论领域的一些重要突破。

“群论”是专门研究自然界中各种对称性的一门数学分支,在物理、化学与生物学中有着重要的应用,在现代数学中占据极为重要的地位,许多数学分支都在此基础上演化而来。而群论中的“有限单群分类”几乎是20世纪数学最重要的成果。

通过李奇晶格的研究启发,康威自己找到了3个散在群,并将其命名为“康威单群”。这项重磅研究成果使康威一举成名,自此,康威的事业顺风顺水达到巅峰,他也成为世界数坛屈指可数的顶级群论专家。他的每一篇论文,几乎都要被英、美、法、日、德、俄的同行们认真拜读,其成就和威望可见一斑。

可以说,康威的研究在数学领域多点开花,涉及到组合博弈论、几何、数论、群论、算法甚至量子力学理论等多个方面。当代最杰出的计算数学大师之一、美国斯坦福大学的唐纳德·克努斯先生对康威表达了崇高的敬意,在其著作《超现实数》一书中这样写道:“混沌初开,天地伊始,康威从一无所有中创造了各式各样的'数'。”

耐人寻味的是,当康威功成名就之时,他决定要让自己过得有趣,他把大量时间花费在游戏的研究和发明中。据统计,这位世界一流的游戏数学大师,曾发明过数以千计的游戏,当然,其中多数含有数学元素。其中最为著名当数“生命游戏”。

1970年10月,美国数学科普大师马丁·加德纳在《科学美国人》的“数学游戏”专栏中,向读者介绍了康威发明的“生命游戏”,吸引了许多玩家和数学专业人士的兴趣和关注,很快就风行全世界。

这个“生命游戏”没有游戏玩家各方之间的竞争,只是一种“仿真游戏”。因为它模拟和显示的图像,看起来颇似生命的出生和繁衍过程,因而得名。游戏在一个类似于围棋棋盘,可以无限延伸的二维方格网中进行,用棋子或把方格涂黑表示细胞,按规则操作,模拟自然界各类物种的增殖、稳定、频濒灭绝、摇摆不定等种种生存状况,变化多端颇有妙趣。

游戏时先用棋子随便摆一个图形构成“原始物种”。每个棋子称为“细胞”,每个细胞的上、下、左、右及4个斜角方格中的8个细胞均称为“近邻”。物种从一个状态演变到下一个状态时,每个细胞的生死存亡由以下两条规则确定:

(1)生(棋子或黑格)-一若细胞有2个或3个近邻细胞,将继续生存;或空格有3个近邻细胞,则该空格中将“诞生”1个新细胞。

(2)死(空格)-一若细胞有4个或4个以上近邻细胞(竞争食物等),或只有1个或0个近邻细胞(种群数量太小),该细胞将死亡;

接下来,游戏者就根据这两条生存定律进行推演,下面的这组图形就是一个具体的演变过程:

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要注意到,每个细胞只与以其自身为中心的一圈相邻细胞产生互动,从而确定生死(变黑变白)。弄清了演变过程的缘由,那就不难理解,若用3枚棋子沿对角线摆成一字“长蛇”形(图1),3个细胞将逐渐灭绝;如果用6枚棋子摆出一个中间有两个空格的龟形(图2),它将“长生不死”。

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图1 图2

对于“生命游戏”的研究表明,“原始物种”演变过程通常分为如下几种类型:静止型、振动型、运动型、死亡型、不定型。比如图3中的“蜂窝”“小区”和“小船”属于静止型图案,即若没有外界干扰,此类图案一旦出现,便固定不再变化;“闪光灯”“癞蛤蟆”属于振动型图案,由几种图形在原地反复循环地出现而形成;“滑翔机”“太空船” 属于运动型图案,它们会一边变换图形,一边移动向前。许多“原始物种”经过若干代的演变后,会成为静止、振动、运动中的一种,或者是它们的混合物。

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图3

死亡型是指最终完全消失意味死亡的类型,不定型是指永远保持不确定变化的类型,在此不再赘述。

事实上,这个游戏是细胞自动机理论的一个简单生动的数学模型,因直观反映生命系统的演化情形,揭示出“只需要少量的基本规律,可以产生高度复杂的功能,甚至可能创造出智能”的深刻道理,所以深受玩家和数学人士的青睐。

因其内涵复杂,人们常常需要借助计算机来加以研究,其受欢迎程度可用一位计算数学家的统计判断来形容:世界上约有1/4的计算机都在玩“生命游戏”。

“生命游戏”之所以备受推崇,原因在于用数学方法模拟生物进化的特征,把原本风马牛不相及的数学和生物学建立了联系。随着基因工程的飞速发展,生物学对数学提出的更新、更高要求,有可能导致数学脱胎换骨的改造。

有学者据此预言:“当数学转向生物学时,数学这门非生命的科学必将获得生命。”由此可见,“生命游戏”蕴含着康威开创性的工作,绝对不容小觑。

金无足赤,人无完人,康威也是如此。他在生活中过得不尽人意,欠债使之经济拮据, 思想消极;他结过3次婚,曾经严重抑郁和自杀;他坚信世界会在一场热核大战中毁灭,所以,经常试图想躲藏到一个人迹罕至的地方避难。但这些都不能抹杀他对数学做出的杰出贡献。

2020年4月,83岁的约翰·康威不幸死于新冠肺炎,结束了他传奇而坎坷的游戏人生。有人这样评价这位个性另类、行事乖张的数学家:世界上可能有比他更厉害的数学家,但在顶尖的数学家里,没有人能比他用游戏做科普来得更好。

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这或许能解释康威对自己的苛刻评价:我从没有工作过一天,而是都在玩。熟悉他的朋友则认为,康威是一个生活在四维或更高维空间的人。通俗的理解就是,一直追求自由轻松、随心所欲的康威活在另一个世界。

简单地概括:约翰·何顿·康威,外号:数学疯子;身份:一个想过得有趣的、喜欢跟游戏打交道的数学家;个性特征:一半火焰一半海水;人生经历:一半数学一半游戏;永久印记:“生命游戏”。

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