Наш мир может быть продвинутой версией Game of Life, и через 10к лет на месте Луны и Земли будет мегаструктура

Imperius1459 минут назад

Наш мир может быть продвинутой версией Game of Life, и через 10к лет на месте Луны и Земли будет мегаструктура

Уровень сложностиПростойВремя на прочтение7 минОхват и читатели1.2KЧитальный залМатематика*ФизикаНаучно-популярноеНаучная фантастикаМнениеМой скриншот из демо-версии игры The Hollowing (от Rubeki Games)В этой статье я хотел бы поговорить про мегаструктуры. Меня с детства безумно увлекал этот сеттинг, и когда я начал писать статьи для хабра, я хотел написать материал по этой теме, но долго не мог понять, как к ней подступиться.

Но кажется я придумал как. Предлагаю рассмотреть нашу вселенную (математически) как сложную хаотическую систему, которая при достаточном количестве времени начинает самопроизвольно порождать все более сложные структуры.

И мы, люди, являемся одним из этапов этого начавшегося самоусложнения материй. И мы можем находится у порога уже нового скачка, связанного с развитием техносферы.

О чем будет статья?

Мы поговорим о теорий автоматов, как она появилась, и как на ее основе английский математик Джон Конвел в 1970 году придумал математическую игру "Жизнь", и выдвину предположение что вселенная изначально могла быть просто довольно сложной хаотичной и нестабильной системой, которая спустя продолжительное время начала случайно самоусложняться и порождать необычные структуры, в том числе нас.

И что мы сейчас можем находится у порога нового фазового перехода, сравнимый по своей значимости с появлением одноклеточной, потом многоклеточной жизни, а потом и животных рода Homo. Это дебют техносферы как главного актора, который будет радикально преобразовывать окружающее пространство, как в свое время это делали сами люди. И что сеттинг в манге Blame! или игре Lorns Lure через несколько тысяч лет будет уже не такой уж безумной фантастикой.

Речь не просто о дальнейшем развитии технологий, а о возможном превращении техносферы в самостоятельную систему, способную поддерживать и расширять себя. Что произойдёт, если созданные нами машины смогут не только выполнять отдельные задачи, но и проектировать, производить и обслуживать следующие поколения машин? Короче, я приглашаю читателя в этот интересный мысленнцый эксперимент, который возможно поможет нам чуть больше понять о нас и об окружающем нас мире. Погнали

Как появилась теория автоматов

Для начала нужно определится, что такое автоматы. Это система, которая находится в некотором состоянии и меняет его по заданным правилам. Она работает дискретно: шаг за шагом, а не непрерывно. Слово «автомат» здесь обозначает определённый тип математических объектов. Мы абстрагируемся от того, из чего устройство сделано, и описываем только его состояния и поведение. Через автоматы можно моделировать множество вещей из окружающего мира. Сам компьютер, с которого вы читаете эту статью, можно рассматривать конечным автоматом (в том смысле, что у него есть конечное количество состояний), и сам он состоит из конечных автоматов поменьше (программу тоже можно рассматривать как конечный автомат)

Но мы возьмем систему попроще. Лампочку с переключателем. У неё два возможных состояния: «выключена» и «включена».

Текущее состояниеВходное событиеСледующее состояниеВыключенаНажатие кнопкиВключенаВключенаНажатие кнопкиВыключенаЭто уже пример конечного автомата: состояний конечное число, а правила перехода между ними определены.

Входное событие одинаковое, но результат разный. Поэтому автомату недостаточно знать, что произошло - важно ещё, в каком состоянии он находился. Состояние здесь играет роль памяти.

Про клеточные автоматы

Что такое математические автоматы мы определились. Теперь давайте разберемся, что может происходить при хаотичном взаимодействий множества конечных автоматов. Для начала надо выяснить, что из себя представляют клеточные автоматы.

Клеточный автомат — это система, состоящая из множества простых автоматов, расположенных в виде регулярной решётки. Регулярная решетка это просто упорядоченная сетка, в которой расположение элементов повторяется по одному и тому же правилу. Самый понятный пример — тетрадный лист в клетку Каждый такой элемент называют клеткой: у неё есть собственное состояние, которое меняется по заданному правилу в зависимости от состояния самой клетки и её соседей. Клеточным автоматом называют всю эту систему, а не отдельную клетку.Как можно увидеть, никакой связи с биологией и живыми клетками тут нет, клеточный автомат он потому, что располагается на регулярной решетке.Затем мы задаём правило изменения состояний. Например, можно придумать простейшую модель распространения огня. Пусть клетка обозначает участок земли и имеет три состояния: «пусто», «дерево» и «горит». Зададим правила: дерево загорается, если хотя бы один его сосед горит; горящая клетка на следующем шаге становится пустой; пустая остаётся пустой. Теперь достаточно нарисовать лес и поджечь один участок, чтобы наблюдать, как огонь распространяется в зависимости от расположения деревьев. Это будет наш клеточный автомат.

Игра "Жизнь"

Планерное ружьё Госпера в клеточном автомате «Жизнь»Теперь настал черед разобрать конкретную разновидность клеточных автоматов - это игра "Жизнь". Стоит заметить, что это не игра в классическом смысле, да и к биологической жизни она имеет отношения только на уровне метафоры рождения и смерти.Человек задаёт только начальную расстановку живых клеток. Поле представляет собой квадратную сетку, в классической математической модели — бесконечную. Каждая клетка находится в одном из двух состояний: жива или мертва. У неё восемь соседей — по сторонам и диагоналям. Правила перехода к следующему состоянию очень просты:

• Мёртвая клетка оживает, если у неё ровно три живых соседа.
• Живая клетка остаётся живой, если у неё два или три живых соседа.
• Во всех остальных случаях живая клетка умирает, а мёртвая остаётся мёртвой.Состояния всех клеток обновляются одновременно, исходя из предыдущего состояния поля. Один такой шаг называется поколением.

Несмотря на простоту правил, фигуры ведут себя по-разному. Некоторые исчезают, другие остаются неподвижными, третьи циклически меняют форму. Например, квадрат из четырёх живых клеток устойчив, а ряд из трёх клеток на каждом шаге меняет ориентацию с горизонтальной на вертикальную и обратно. Существуют и перемещающиеся фигуры — например, планер, или глайдер.

Внутри этой модели даже можно построить универсальную машину Тьюринга — вычислительную систему, способную выполнять любой алгоритм при наличии достаточных пространства и времени. Программа, данные и устройство такой машины задаются конфигурацией клеток, а вычисление происходит за счёт обычной смены поколений.

Краткая история времени

В игре «Жизнь» нет отдельных правил для создания движущихся фигур, устойчивых конструкций или вычислительных устройств. Есть только клетки и правила изменения их состояний. Более сложные структуры возникают уже в процессе взаимодействия этих элементов. Именно это свойство делает клеточные автоматы интересной аналогией для разговора об окружающем мире.

Чтобы понять, насколько далеко можно провести такую параллель, ненадолго отойдём от математических моделей и посмотрим на историю самой Вселенной. Ведь звёзды, планеты и тем более живые организмы существовали в ней далеко не всегда.Возраст Вселенной в современной космологической модели составляет около 13,8 миллиарда лет. В своей ранней истории она находилась в чрезвычайно горячем и плотном состоянии, совершенно не похожем на сегодняшний космос. Не было ни галактик, ни звёзд, ни планет — и даже привычные нам атомы ещё не могли существовать.

Чем ближе мы подходим к предполагаемому началу, тем больше остаётся неизвестного. Теория Большого взрыва сама по себе не объясняет, почему возникло это состояние и было ли что-нибудь раньше.

Один из ведущих сценариев связывает самые ранние события с космической инфляцией — очень коротким периодом чрезвычайно быстрого расширения. Она позволяет объяснить ряд наблюдаемых свойств Вселенной, включая её почти одинаковый облик в разных направлениях и происхождение начальных неоднородностей. Однако конкретный физический механизм инфляции пока не установлен.

По мере расширения Вселенная остывала. Это важный момент: при слишком высокой температуре многие связанные структуры не могут долго сохраняться - столкновения частиц и энергичное излучение разрушают их.

В течение первых миллионных долей секунды кварки стали связываться в протоны и нейтроны. Затем, в первые минуты, начался первичный нуклеосинтез: протоны и нейтроны соединялись в ядра лёгких элементов. Возникли ядра дейтерия, гелия и небольшое количество других лёгких ядер. Основой обычного вещества стали водород и гелий. Для образования значительных количеств более тяжёлых элементов подходящих условий ещё не было.

При этом ядро атома - ещё не целый атом. Электроны продолжали существовать преимущественно отдельно, и вещество оставалось плазмой. Свет постоянно рассеивался на свободных электронах, поэтому не мог свободно проходить через большие расстояния. В этом отношении ранняя Вселенная напоминала непрозрачный туман.

Примерно через 380 тысяч лет температура снизилась до нескольких тысяч градусов. Ядра смогли удерживать электроны, и вещество в основном превратилось в нейтральный газ. Свободных электронов стало гораздо меньше, и излучение получило возможность распространяться на огромные расстояния. Именно это древнее излучение мы наблюдаем сегодня как реликтовый микроволновый фон.

Уже здесь можно заметить интересный принцип. Появление новых объектов не требует каждый раз вводить для них новые фундаментальные правила. Изменяются условия, и взаимодействия, которые прежде не позволяли структуре сохраняться, теперь допускают её существование. Сначала становятся возможны ядра, затем атомы. Возникает новый уровень организации вещества.

В «Жизни» мы можем следить за состоянием каждой клетки. Но когда появляется глайдер, удобнее говорить уже о движении глайдера, а не каждый раз перечислять рождения и смерти отдельных клеток. Мы выделяем устойчивую закономерность и начинаем воспринимать её как самостоятельный объект. Нового правила «двигать глайдер» при этом не появляется — его поведение по-прежнему складывается из обычных переходов клеток.

Похожим образом в физике мы переходим от частиц к атомам, от атомов к веществу, от вещества к звёздам и планетам. На каждом уровне возникают структуры со своими характерными свойствами и закономерностями.

Поэтому историю Вселенной можно рассматривать как историю возникновения новых форм организации материи. Первоначально почти однородная среда постепенно породила множество объектов, которые не существовали в ней в готовом виде. В этом смысле «Жизнь» служит наглядным примером того, как правила взаимодействия могут допускать очень разнообразное поведение

Мегаструктуры и киберпанк

Киберпанк может быть неизбежным ранним этапом развития технологической цивилизации.

У человека как вида внезапно и резко (вероятно из за самоулучшающихся ии, которые запустят тех сингулярность) появляются около божественные способности по манипуляции окружающим пространством, при этом ментально он остался тем же лысым приматом.

Политика, культура и общество начинает деградировать, это притом, что технологический прогресс уже не осмысляем.В этом плане манга Blame! или игра Lorns Lure описывает более позднюю стадию процесса, который раскрыт например в игре Cyberpunk 2077. Это эпоха тотального и безграничного господства машин, которые расширяют "жизненное пространство" или вовсе без цели, по инерции, или вовсе по неосмысляемым причинам.Вымрет ли человечество при этом? Как по мне необязательно. Все же важно учитывать что даже разумные машины будут выполнять внешние инструкции, им будет глубоко безразлично собственное благополучие, выживание и тд, только выполнение поставленной задачи. Но при этом сам человек может в какой-то момент обнаружить, что уже не понимает обслуживающий его благополучие колоссальный механизм.

На этом пока все. До новых встреч!Теги:• megastructure
• physic
• mathХабы:• Читальный зал
• Математика
• Физика
• Научно-популярное
• Научная фантастикаЕсли эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопкуЗадонатить