JOVANA
Explore Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
数学 1970

生命游戏

约翰·康威 与 马丁·加德纳

三条规则,一张方格,没有玩家——却走出了滑翔机、时钟,和会计算的机器。

Choose your version
In depth · the introduction

三条简单的规则,一张方格棋盘,没有人在玩——可形状却会诞生、会滑过棋盘,甚至会搭出机器。

核心想法

生命游戏不是一个你去玩的游戏,而是一个你去看的游戏。你先在网格上把一些格子涂上(代表「活」),其余留白(代表「死」)。然后,一遍又一遍,每个格子都在同一瞬间,依一条简单的判断来更新:数一数它的八个邻居里有几个是活的。一个活格子,有 2 或 3 个活邻居便继续活着;太少,它死于孤独,太多,它死于拥挤;一个死格子,恰好有 3 个活邻居,便活了过来。

就这么简单。没有人决定下一步会发生什么——是规则决定的。然而,仅凭这三条规则,便生出了闪烁的光点、稳稳爬过网格的形状,以及精巧到唯有让它跑起来、你才知道它将作何变化的图案。

它是如何诞生的

约翰·康威,一位爱玩、又才华横溢的剑桥数学家,在 1969 至 1970 年间花了几个月,去寻找那套最简单、却能产生出不可预测、宛如生命之行为的规则——他和学生们在一张围棋盘上,用手一组组地试。当他找到那个恰到好处的平衡,便把它寄给了马丁·加德纳,后者在《科学美国人》上的「数学游戏」专栏,拥有一大群好奇的读者。

加德纳 1970 年 10 月的那篇专栏,点燃了引线。康威曾押下五十美元,赌没有任何图案能永远增长下去;数周之内,麻省理工学院比尔·戈斯珀带领的团队便造出了「滑翔机枪」,它无穷无尽地吐出一架架新滑翔机——赢走了赌注。业余爱好者与科学家们,把数不清的早期计算机机时倾注其中;而围绕一个简单的问题——简单的规则究竟能做到什么?——一整个领域就此生长起来。

它为何重要

生命游戏,给所有人一个生动的答案,去回应一个深刻的问题:复杂从何而来?你并不需要一个宏大的设计、或一个总指挥——惊人地丰富的行为,可以从简单的规则、在局部被一遍遍遵循之中涌现出来。人们后来证明,生命游戏强大到足以计算一切计算机所能计算之物。它成了「涌现」的经典范例,而这种思维方式,如今已贯穿生物学、物理学、经济学与计算机科学。

一个可以想象的画面

想想体育场里观众做「人浪」。没有人在指挥;每个人只是在邻座站起时、跟着站起来。仅凭这一条局部的规则,一道波浪便绕着整座体育场扫过——一个庞大的、移动的图案,没有谁设计过它。生命游戏,就是把这个念头推到极限:几条关于邻居的规则,在每一处同时反复执行,于是波浪、滑翔机,还有机器,便都走了出来。

一张运行着生命游戏的可交互网格。按钮可挑选起始形状——会行走的滑翔机、原地跳动的闪光灯与脉冲星、一艘飞船,以及混乱的 R-五连块——滑块或「播放」按钮则随规则同时更新每个细胞,一代代推进。

它的位置

让一张细胞网格遵循局部规则的这个念头,来自 1940 与 50 年代的约翰·冯·诺伊曼与斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆,他们用这样的「元胞自动机」去研究能自我复制的机器。康威的生命游戏,让这个念头变得家喻户晓、又令人欲罢不能。它与另一些「揭示出简单系统里竟藏着狂野复杂」的发现并肩而立——爱德华·洛伦茨那组混沌的天气方程(lorenz-1963)、伯努瓦·曼德博的分形(mandelbrot-1967)——并一路向前,汇入了今天的复杂系统科学。

The original document
Original source text
Martin Gardner · Scientific American 223(4) (Oct. 1970): 120–123
The idea
The basic idea is to start with a simple configuration of counters (organisms), one to a cell, then observe how it changes as you apply Conway's “genetic laws” for births, deaths, and survivals.
Conway's genetic laws
Survivals. Every counter with two or three neighboring counters survives for the next generation.
Deaths. Each counter with four or more neighbors dies (is removed) from overpopulation. Every counter with one neighbor or none dies from isolation.
Births. Each empty cell adjacent to exactly three neighbors — no more, no fewer — is a birth cell. A counter is placed on it at the next move.
Gardner stresses that all births and deaths occur simultaneously, in a single move that yields the next “generation” — so the whole board must be read before any counter is changed.
[ … ]
The challenge
The column reports Conway's conjecture that no starting pattern can grow without limit, and his standing offer of a fifty-dollar prize to whoever could settle it. Within weeks a group at MIT led by Bill Gosper found the “glider gun,” a pattern that fires off a new glider forever — disproving the conjecture and winning the prize.
Scientific American · October 1970