奇妙的涌现：从黏菌到计算机 | 《复杂科学前沿》课程拓展
导语
《张江·复杂科学前沿》课程已经上线得到APP。在第一模块中，张江老师总结了学习复杂科学必备的5大工具——涌现、混沌与非线性、标度对称性、因果倒置、链接模式。
复杂系统中，存在着很多异常复杂有趣的宏观现象和规律，这些现象和规律很难用个体的特性加以解释，我们把这类现象称为“涌现”。宏观涌现的微观起源，在于一整套基于局部感知和互动的正反馈机制，能够把微观的微弱信号放大到宏观的层面。我们还可以巧妙地设计条件，诱导涌现的发生，解决复杂问题。
今天我们在课程基础上，进一步聊聊「涌现」的知识和研究。
什么是涌现
在哲学、系统论、科学和艺术中，当一个实体被观察到具有其所有组成部分本身没有的属性时，涌现（ emergence ）就出现了。这些属性或行为只有当各个部分在一个更广泛的整体中相互作用时才会涌现。例如，当一辆自行车和骑手互动时，平稳的向前运动就出现了，但是两个部分都不能独自产生这种行为。
涌现的概念在整合层次理论（ theories of integrative levels ）和复杂系统（ theories of complex systems ）理论中扮处于核心地位。例如，生物学所研究的生命现象是化学的一个涌现特性，而心理现象是从生物的神经生物学现象中涌现出的。
涌现结构是通过许多单个实体的集体行动而出现的模式。为了解释这种模式，人们提出了一些假说。按照亚里士多德的说法，每个部分与其周围环境的相互作用导致了一系列复杂的过程，这些过程可以导致某种形式的秩序。事实上，我们观察到自然界中的一些系统是基于其部分的相互作用而呈现出涌现的，而另一些系统则呈现出了，至少目前不能以进行简化的涌现现象。特别是理论物理学中的重整化方法使得科学家们能够研究那些不能作为各部分组合来处理的系统。
更多概念辨析请阅读集智百科词条：什么是涌现
黏菌与涌现
涌现现象可以在许多动物群体中观察到: 例如蚁群，白蚁筑成的蚁丘、蜜蜂群、浅滩或鱼群、鸟群和哺乳动物群落。
人们对黏菌（多头绒泡菌，Physarum polycephalum）的了解并不多。单个黏菌就像阿米巴虫一样。当食物缺乏时，许多这样的“阿米巴虫”便缓慢聚集到一起，形成相当大的各种不同形态的团体，开始转移地点，去寻找食物谋生。
阿米巴虫与黏菌
黏菌生长图
即使对于人类而言，走迷宫都是一件很难的事，更别说找到走出迷宫的最优路径。而这一切，对于黏菌来说可能并不是那么困难。2000年，Toshiyuki Nakagaki等科学家们设计了一个著名的迷宫实验，他们将黏菌培养在一个在普通迷宫中，而迷宫的起点和终点处都放了一些黏菌们最喜爱的燕麦，迷宫中，从起点到终点共有4条长短不一的路线
AG为起点和终点。图a中蓝线表示两块食物之间的最短路径。图b为四小时后，黏菌探寻到所有可能的路径。图c为四小时后，黏菌发现了最短路径。图d为路径选择，数字表示每条路径被选择的频率
迷宫实验
迷宫实验动图
计算机中的涌现：生命游戏
除了蚁群和黏菌之外，还有另一个能体现出涌现机制的复杂系统——生命游戏。
在1970年，John Conway提出了一个计算机程序：生命游戏（Game of live）。生命游戏没有游戏玩家各方之间的竞争，也谈不上输赢，可以把它归类为仿真游戏。事实上，也是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而得名为“生命游戏”。
John Conway
这是一个方格世界，每个方格仅有黑白两种颜色。它包括一个二维矩形世界，这个世界中的每个方格居住着一个活着的或死了的细胞。每个方格中都可放置一个生命细胞，每个生命细胞只有两种状态：“生”或“死”。用黑色方格表示该细胞为“生”，空格(白色)表示该细胞为“死”。或者说方格网中黑色部分表示某个时候某种“生命”的分布图。生命游戏想要模拟的是：随着时间的流逝，这个分布图将如何一代一代地变化。
一个细胞在下一个时刻生死取决于相邻八个方格中活着的或死了的细胞的数量。如果相邻方格活着的细胞数量过多，这个细胞会因为资源匮乏而在下一个时刻死去；相反，如果周围活细胞过少，这个细胞会因太孤单而死去。实际中，你可以设定周围活细胞的数目怎样时才适宜该细胞的生存。如果这个数目设定过高，世界中的大部分细胞会因为找不到太多的活的邻居而死去，直到整个世界都没有生命；如果这个数目设定过低，世界中又会被生命充满而没有什么变化。实际中，这个数目一般选取2或者3；这样整个生命世界才不至于太过荒凉或拥挤，而是一种动态的平衡。这样的话，游戏的规则就是：
1． 出生规则—如果一个细胞周围有3个细胞为生（一个细胞周围共有8个细胞），则该细胞为生（即该细胞若原先为死，则转为生，若原先为生，则保持不变） 。
2． 生存规则—如果一个细胞周围有2个细胞为生，则该细胞的生死状态保持不变；
3． 死亡规则—在其它情况下，该细胞为死（即该细胞若原先为生，则转为死，若原先为死，则保持不变）
出生规则
死亡规则
设定图像中每个像素的初始状态后依据上述的游戏规则演绎生命的变化，由于初始状态和迭代次数不同，将会得到令人叹服的优美图案。在游戏的进行中，杂乱无序的细胞会逐渐演化出各种精致、有形的结构；这些结构往往有很好的对称性，而且每一代都在变化形状。一些形状已经锁定，不会逐代变化。有时，一些已经成形的结构会因为一些无序细胞的“入侵”而被破坏。但是形状和秩序经常能从杂乱中产生出来。这样，这些若干个细胞（生命体）就构成了一个复杂的动态世界。运用简单的3条作用规则构成的群体会涌现出很多意想不到的复杂性为，这就是复杂性科学的研究焦点。
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