شبيه سازي زندگي

اين اولين باري است که بازي Life در مورد شروع حيات اطلاعاتي به ما مي دهد
 

شايد اگر متوجه وجود يک ارگانيزم در درون رايانه خود شويد که قادر است خودش را تکرار کند، اولين واکنش شما نصب يک برنامه ضد ويروس باشد. البته اگر جاي "اندرو ويد" باشيد که ديوانه بازي هاي يک دنياي دو بعدي و رياضي به نام Life است، شايد چنين چيزي چندان عجيب و مهم نباشد. زماني که ويد در اواسط سال 2010 ارگانيزم رياضي خود- تکرار (2) خود را روي سايت يک جامعه زندگي (Life) معرفي کرد، موجي از واکنش هاي مثبت به دنبال داشت. "آدام گوچر"(3) روي سايت Game of Life News ضمن اين که اين کار را نوآورانه توصيف کرد، افزود:" اين بهترين، تحسين برانگيزترين و مهم ترين کاري است که تاکنون در زمينه اين گونه الگوريتم ها انجام شده است."
در وهله اول، اين بازي نشان مي دهد که چگونه از چند شروع و فرايند ساده مي توان پيچيدگي هاي خارق العاده اي به وجود آورد شايد اين ويژگي بازتابي از زندگي حقيقي در جهان ما باشد. اين شبيه ساز مي تواند به ما در فهم چگونگي شروع زندگي روي کره زمين کمک کند يا حتي براي ساخت رايانه هاي کوچک به محققان و دانشمندان ايده بدهد.
بازي زندگي بهترين مثال شناخته شده از يک اتوماتاي* سلولي است که در آن رفتارها روي يک شبکه بر اساس تعدادي قانون ساده شکل مي گيرند و تغيير مي کنند. شما بازي را با انتخاب يک رشته از سلول هاي زنده (يا خانه هاي زنده) شروع مي کنيد و سپس تغييرات را طي نسل هاي بعدي همان طور که قوانين بازي (مثلا، دو قانون ساده) به طور مرتب اعمال مي شوند، نظاره مي کنيد. قوانين بازي توسط "جان کانوي" (4)، رياضي دادن دهه هفتاد، وضع شد. اما اتوماتاي سلولي نخستين بار در دهه 1940 زماني که رياضيدان متاخر، "جان نيومن" (5)، پيشنهاد استفاده از آن را براي نمايش خود - تکراري (6) در طبيعت داد، معرفي شد. اين اتوماتا به اين بازي يک معناي فلسفي داد و در نهايت براي خود طرفداراني هم دست و پا کرد.
دوستداران اين بازي مجموعه کاملي از رشته هاي (7) جالب ، مانند "کشتي هاي فضايي"(8) ساخته اند که در کل شبکه سفر مي کند (به حرکت در يک جهت تا بي نهايت ادامه مي دهد). رشته جالب دگير "تفنگ" (9) است که به طور مرتب رشته هاي جديد توليد مي کنند. اما رشته اي که بتواند عين خودش را بسازد، به ندرت ديده شده است، ويد که در تورنتوي کانادا به برنامه نويسي اشتغال دارد، اولين بار به طور اتفاقي در خلال سال هاي 1990 درگير بازي زندگي شد، اما در ادامه تمايل خود را از دست داد و به دنبال کار خودش رفت. تا اين که در سال 2009 و کسب انگيزه مجدد به خاطر اکتشافات و پيشرفت هاي دهه پيش، آزمايش مجدد روي شبيه سازهاي زندگي را شروع کرد. يکي از اين اکتشافات توليدکننده جهاني (10) بود که مجموعه اي از خانه هاست که مي تواند به گونه اي برنامه ريزي شود تا خانه هاي متنوع ديگري را در نسل هاي متمادي توليد کند. در تلاش براي توليد يک تکرارکننده(11)، طرفداران اين بازي تلاش کرده بودند تا اين سازنده را به رشته ثانويه اي به نام رايانه وصل کنند. چرا که اين رشته قادر به انجام محاسبات رياضي است. اما اين کار روي اين ايده تا به سرانجام رساندن آن خيلي به کندي پيش رفت.
کشف مهم ويد بعد از به دنيا آمدن اولين فرزندش به وقوع پيوست. مسئوليت هاي پدري مانع از اين مي شد که به کارهاي شخصي و سرگرمي هاي مورد علاقه خود بپردازد، بنابراين او به جاي رشته "رايانه" از يک رشته خيلي ساده تر به نام "نوار دستور"(12) استفاده کرد که از رشته هاي ساده تري به نام "glider" ساخته شده بودند. با قرار دادن اين رشته ها در بازه هاي زماني دقيق (در فاصله هاي مشخص روي جدول)، او برنامه اي توليد کرد که به درون توليدکننده ها مي رود و عمليات مورد نظر خود را ديکته مي کند. طرز کار اين سيستم خيلي شبيه رول هاي پانچي نوار است که زماني براي کنترل و کار با رايانه ها به کار مي رفت.
اين روش يک حرکت رو به جلو بود. ويد مي گويد: " مي خواستم هر چه زودتر اين ماشين به کار بيفتد. بنابراين تا حد امکان کار را ساده تر و ساده تر کردم تا اين که بالاخره قسمت هايي را که ممکن بود مدت ها وقتم را براي رسيدن به نتيجه بگيرد حذف کردم."
موجودي که ويد خلق کرده و نام آن را جميني (13) گذاشته است، از دو مجموعه ساختار شبيه به هم ساخته شده است که در دو طرف نوار دستور قرار مي گيرند. هر يک کسري از طول نوار هستند، اما از دو بازوي توليدکننده (14) و يک نابودکننده(15)، که نقشي کليدي نيز دارد، تشکيل شده اند. وضعيت اوليه (16) جميني شامل سه ساختار از نوع فوق و يک ساختار چهارم ناقص است.
همان طور که فرايند شبيه سازي پيش مي رود، ساختار ناقص رشد مي کند تا زماني که ساختار ابتداي نوار تخريب شود. جميني شروع به شکستن و مصرف ساختار بعدي مي کند تا زماني که پس از تقريبا سي و چهار ميليون نسل، يک زندگي جديد متولد مي شود.
فرزند شبيه والد خود است، اما مشاهده مي کنيد که کمي به بالا و چپ متمايل شده؛ شروعي جديد براي زندگي جديد: رشته هاي بعدي نيز هر يک به اندازه يک خانه صفحه شطرنجي حرکت مي کنند، اما جميني روي صفحه در جهت متمايل به شمال تا شمال غربي حرکت مي کند.
جميني در نتيجه اين حرکت و با وجود قابليت برنامه ريزي توليدکننده هاي جهاني با استفاده از يک نوار ساده، توانسته است مجددا هيجان را به اين بازي تزريق کند. کساني که Life بازي مي کنند، در حال تلاش براي طراحي رشته هاي جديدتر و پيچيده تر هستند. "ديوگرين"، کسي که در طراحي توليدکننده جهاني به ويد کمک کرد، معتقد است: شايد قدم بعدي توليد يک رشته خود - تکرار باشد که مي تواند کپي هاي بيشتري از خود بسازد؛ يا يک تکرارکننده پرکننده فضا که بتواند چندين کپي از خود را براي پر کردن يک فضاي بزرگ و دلخواه از صفحه بازي توليد کند.

پيچيدگي ساده
 

مفاهيم بازي جميني به دنياي واقعي راه پيدا کرده است. به گفته "سوزان استپني"(18)، داشنمند علوم رايانه از دانشگاه يورک که جميني را براي اين بازي مورد بررسي قرار داد: " بيرون آمدن چنين پيچيدگي اي از چنين قوانين ساده اي واقعا شگفت آور است. شايد بتوان اين قوانين را در نهايت در زيست شناسي و کنار هم قرار دادن اتم ها براي توليد يک زندگي پيچيده استفاده کرد."
استپني اضافه مي کند: " از آنجا که خود - تکرار ويد خودش را قسمت به قسمت کپي مي کند، از آنجا که خود- تکرار ويد خودش را قسمت به قسمت کپي مي کند، بيشتر به يک دستگاه فتوکپي شباهت دارد تا يک سلول زنده." اما با همين صورت هم در درک فرايندهاي جهان واقعي موثر است. به گفته وي: "اين واقعيت که جميني اين کار را از مسيري متفاوت نسبت به زيست شناسي مي پيمايد، به خودي خود جالب است، زيرا نشان مي دهد که راه هاي مختلفي براي حل يک مسئله وجود دارد. اين يافته بسيار با ارزش و مفيد است."
اين کشف مهم از ابعاد ديگري نيز مورد توجه قرار گرفته است."استفان ولفرام" (19)، که به خاطر جايگزين کردن معادلات علمي با اتوماتاي سلولي مشهور شده است، ارتباط جميني با سلول هاي زنده را قبول ندارد. او مي گويد تغذيه کردن يک برنامه صرفا به منظور خلق يک موجود خود - تکرار - طبق راهکار ويد و پيشنهاد اوليه نيومان - تلاشي بي حاصل است. او حتي به يک مثال ساده تر اشاره مي کند: يک اتوماناي تک بعدي سلولي به نام قانون نود(20) که در هر زمان سطر اول خانه ها را بعد از چند گام مشخص عينا بازسازي مي کند.
ولفرام مي گويد: " به جاي وقت صرف کردن براي درک زندگي، کشف ويد مي تواند به اختراع روشي براي ساخت رايانه هاي کوچک در حد مولکول ها کمک کند." به عقيده وي:"اين کشف در حال کمک به ما براي فهم روش ساختن چيزها از اجزاي بسيار کوچک است."
به هر حال، هر نقشي که جميني بتواند در دنياي واقعي علوم ايفا کند، استپني روي اهميت کشف کساني مانند ويد که اوقات فراغت خود را صرف کار کردن روي اين بازي کردند، تاکيد دارد. وي مي گويد: "افراد جامعه با دنبال کردن علايقشان در کشفيات علمي مشارکت مي کنند."

بازي Life
 

اين بازي در سال 1970 توسط يک رياضيدان به نام " جان کانوي " (John Conway) اختراع شد. اين بازي شامل يک جدول با ابعاد بي نهايت شامل خانه هايي مربع شکل است که مي توانند زنده يا مرده باشند. شايد اين بازي در ابتدا چندان چنگي به دل نزند، اما شروع با بعضي اشکال ساده منجر به توليد اشکال و فرايندهاي فوق العاده پيچيده اي مي شود. همان طور که در اين مقاله نيز خوانديد، اين بازي منجر به توليد يک ارگانيزم خود- تکرار (self-replicating) شد.
چگونه چنين چيزي ممکن است؟ به عنوان يک بازيگر، شما فقط يک حرکت داريد: انتخاب رشته اوليه از خانه هاي زنده. بعد از آن، کاري نداريد جز اين که تماشا کنيد و ببينيد رشته شما چگونه طبق دو قانون زير تغيير مي کند:
1. هر خانه زنده شامل دو يا سه همسايه زنده (همسايگان يک خانه شامل هشت خانه مجاورش مي شود) به زندگي ادامه مي دهد، اما آنهايي که کمتر از دو يا بيش از سه همسايه زنده دارند، مي ميرند.
2. هر خانه مرده که دقيقا شامل سه همسايه زنده باشد، زنده مي شود.
تولدها و مرگ و ميرها همزمان اتفاق مي افتند و يک نسل جديد از رشته اصلي را به وجود مي آورند. سپس قوانين فوق مجددا روي رشته جديد نيز اعمال مي شود تا نسل بعدي را به وجود آورد.
براي دانلود بازي Life مي توانيد به لينک http://www.bitstorm.org/gameoflife/standalone رجوع کنيد.

پي نوشت ها :
 

* automaton- در علوم رايانه و رياضيات کاربردي به مدل هاي رياضي اطلاق شود که قادرند در چهارچوب يک يا چند قانون ابتدايي ساده، خروجي هاي مشخصي توليد کند. چند نمونه بسيار ساده از کاربردهاي ماشين هاي اتوماتا، دستگاه هاي پرداخت خودکار نوشيدني يا روزنامه و خودپرداز بانک است.
1- Andrew Wade
2- self-replicating
3- Adam Goucher
4- John Conway
5- John Von Neumann
6- self-replication
7- pattern
8- spaceships
9- gun
10- universal constructor
11- replicator
12- instruction tape
13- Gemini
14- constructor
15- destructor
16- initial state
17- Dave Greene
18- Susan Stepney
19- Stephen Wolfram
20- rule 90
 

منبع: ماهنامه دانشمند شماره 575