自然科学家沃尔弗拉姆

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自然科学家沃尔弗拉姆

2016-11-08 作者: xuzhiping 浏览: 2274 次

摘要: 2002年5月,一个美好的春日,英国出生的物理学家沃尔弗拉姆终于准备将他的大作《一种新科学》呈现给全世界。该书的发行花了漫长的时间,先做了宣布,然后在3年间数度延期。正式发行前几个月,一篇书评赞扬此书是破天荒的著作,必将影响整个世界。顺便说起,这篇书评就像该书...

2002年5月,一个美好的春日,英国出生的物理学家沃尔弗拉姆终于准备将他的大作《一种新科学》呈现给全世界。该书的发行花了漫长的时间,先做了宣布,然后在3年间数度延期。正式发行前几个月,一篇书评赞扬此书是破天荒的著作,必将影响整个世界。顺便说起,这篇书评就像该书一样,是沃尔弗拉姆自己的出版社发表的。如果你相信作者自己的宣言,或者喜欢公关公司的媒体宣传,大概会假设该书可以媲美牛顿的《自然哲学之数学原理》和达尔文的 《物种起源》。甚至认为这作者的书与《圣经》 相比都毫不逊色。

由于出版这本书所引起的骚动,《一种新科学》一书很快在亚马逊网上书店的畅销排行了榜排名第一,而且稳坐宝座数星期之久,就不足为奇了。这本的大部头书籍不少于1197页,而且不是一般人随便就能看懂的,坚初不拔的读者很快就发现,沃尔弗拉姆的意图正是要彻底改变科学这个概念。沃尔弗拉姆在书中提供了广泛领域问题的解答,包括热力学第二定律、生物学的复杂性、数学的极限以及自由意志与决定论之间的冲突。简言之,该书被尊捧为所有问题的最后解答,这些问题无一例外都是几代科学家一直奋力求解却不得的问题。作者在该书的前言中表示,《一种新科学》重新定义了科学的各个分支。这是沃尔弗拉姆的信念,或者说,他要我们相信的信念。

这个对自己近乎神圣的天赋充满信心的人是谁?沃尔弗拉姆1959年出生于伦敦的一个小康家庭,双亲是哲学教授和小说家(若这里有大男人主义的读者,我要特此说明:母亲是教授,父亲是小说家)。他们把这个小伙子送到伊顿公学,而他15岁时就写了第一篇物理论文,而且很快就被一家声誉卓著的科学期刊接受。为了遵循英国学术精英之路,沃尔弗拉姆进人牛津大学就读,17岁毕业,其他许多男孩在这个年龄不过才正要开始申请大学。20岁时,他不但在加州理工学院(CIT)取得博士学位,而且已经发表了近12篇论文。

2年后,也就是1981年,沃尔弗拉姆获得麦克阿瑟基金会的奖学金,成为该奖项有史以来最年轻的得奖者。这项奖学金通常被称为“天才奖”,专门提供给展现研究工作原创性的杰出人士,让科学家能有5年完全不被资金所困的时间。因为版权和专利权的原因,脾气有些暴躁的沃尔弗拉姆与加州理工学院产生了一些龃龉,跳槽到新泽西州普林斯顿高等研究院,当时他的兴趣横跨宇宙论、基本粒子和计算机科学领域。

最后他找到一个课题,这个课题可以作为他当时(如果你相信他的公关用语)革命性发现的基础: 胞腔自动机。多年前,1940年代,传奇的冯诺伊曼(也是沃尔弗拉姆在高等研究院的前辈之一:) 提出了胞腔自动机的想法,但念头仅一闪即过,很快就对它们失去了兴趣。事实上,冯诺伊曼过世后,他所撰写的关于这个主题的文章才发表出来,而且没有人传承延续这个概念,因此这个议题不久几乎消失了。

到了 1970年代,大洋另一端的英国剑桥数学家康韦提出了胞腔自动机的原型。虽然胞腔自动机的原型以名为“生命游戏”的计算机游戏型态出现,但其实这并不是游戏,而是一种概念。生命游戏使用一种类似国际象棋棋盘的方格,不同之处在于黑白格子并不是交互排列,而是随机分布。你可以把这些格子解读为最初的菌落族群,然后有几个非常简单的规则可以决定这些族群如何繁殖,有些细菌会存活,有些则死去,还有新的菌落会发展出来。

虽然决定存活与繁殖的规则很简单,例如如果细菌有3个以上的邻居,它就会死去,但棋盘上发生的状况却一点也不简单:族群型式出现复杂的发展,有些菌落死去,有些不知从哪儿跑了出来,还有一些在两个或更多个状态之间摇摆不定。然后,一些菌落持续灭亡到只剩下寥寥几个。令人惊讶的是,只是少数几项简单规则,就可以产生如此多变的不同状态与结果。在《科学美国人》刊登了一篇关于生命游戏的文章后,这个游戏变得十分流行;根据估计,计算机花在这个游戏上的时间比任何其他程序都多,它成了当红炸子鸡。

沃尔弗拉姆也不例外,但他不是只用生命游戏来消磨时间,还做了更进一步的研究。严密分析检验游戏后,他把演化出的形态加以分类。后来,1983年他在《现代物理学评论》上发表文章,名为“胞腔自动机的统计力学”,这篇文章现在已经被公认为胞腔自动机的标准入门教材。

这时沃尔弗拉姆只有24岁,仍在追求学术生涯的发展,他从高等研究院跳槽到伊利诺伊大学,相信自己的研究可以开启大众对胞腔自动机的兴趣。然而,只有少数同行对这个议题感兴趣,沃尔弗拉姆尚未获得公众的赞赏及认同,他无法大展身手,颇为失望。但沃尔弗拉姆从不缺乏新点子,他转向新的职业生涯,成为一名企业家。

沃尔弗拉姆当然不会毫无准备就冒险进入管理领域,在他还是一名科学家时,他已经开发出一套软件来执行符号数学。换言之,这套软件不仅能进行数值计算,还能操作方程式或求解复杂的积分,并进行一大堆其他的精密计算。不到两年,他已经把软件开发为商品,以“Mathematica”之名发售,立刻成为畅销商品。现在大学与大型企业里约有200万专业人士使用 Mathematica,包括工程师、数学家及企业家。凭借这项广泛使用的商业化创新科学软件,约300名员工的沃尔弗拉姆公司至今仍生意兴隆。

这项新财源让沃尔弗拉姆得以无需他顾地回到科学工作中来,接下来十年每晚都埋首研究。他确信那个有小黑方块的棋盘方格中隐藏这宇宙秘密之钥,认为自己已经找到了所有生命的秘密。

自然科学家常常相信,所有物理、生物、心理与演化的现象都能用数学模型来解释,沃尔弗拉姆也不例外。但是他相信,并不是全部的现象都可以用数学公式解释,只要把变量与参数插入其中适当的位置就大功告成了;相反的,他主张一而再、再而三地重复一系列简单的算术计算,即所谓的“算法”。只观察中间的 解答过程,通常无法预测最终的结果,只有执行完整个算法,才能得到最终结果。

通过检视模拟胞腔自动机的算法结果,沃尔弗拉姆发现它们可用来模仿自然界的模式,例如某些胞腔自动机的开发与结晶的生长、液体中湍流的出现和材料中断裂的生成非常类似。因此他指出,即使十分简单的计算程序也能模拟各种现象的特征。对沃尔弗拉姆来说,这只是为解释世界创生迈出的一小步:重复几种计算几百万次或几十亿次,便会产生宇宙的一切复杂性。在此书里他提出的论点不可思议地简单,因而也颇为令人料想不到:胞腔计算机能解释一切自然界的模式。在数年夜间研究期间,沃尔弗拉姆用胞腔计算机能设法模拟越来越多的自然现象。有时他必须执行数百万个版本才能得到合适的自动机,但自动机最后总是能成功运作,无论用在热力学、量子力学、生物学、植物学、动物学或金融市场中都是这样。沃尔弗拉姆甚至声称,人类自由意志的结果可以用胞腔自动机流程来描述,他坚信非常简单的行为规则(类似胞腔自动机)决定了我们大脑中神经元的运作。重复这些行为模式数百万次,就能呈现出看来复杂的思考方式。原则上,我们向来所认知的智慧,并不比天气复杂。他也断定,只要让算法执行一段足够长的时间, 一组非常简单的计算就能复制出宇宙的最后与最小的细节。

沃尔弗拉姆几年间一直独自工作,只与少数信得过的同事分享想法,这种做法其实好坏参半。一方面,沃尔弗拉姆不必冒险让自己暴露在批评或嘲笑中;另一方面,没有人可以检验他的论点或建议他改进。但沃尔弗拉姆做得很好,在读完近1200页的文章后,即使最多疑的读者也会被说服,相信胞腔自动机能够极佳地模拟无数自然现象的模式。

但那是否表示自动机确实是所有自然界模式的源头?不,这太超乎想象了。让类比与模拟取代科学证明,是简直不能被接受的想法。举例来说,我们参观杜莎夫人蜡像馆时,站在与本尊一模一样的猫王蜡像前面,是否可以归纳出猫王是蜡制的?当然不行。沃尔弗拉姆可不同意,对他来说,问题在于你对模型的需求。以他的观点,模型若能描述自然现象最重要的特征,就是好模型。他指出,即使是数学公式,也只能提供我们对所观察到的现象的描述,而非解释。沃尔弗拉姆表示,如果猫王最重要的特征是他的外表,那么蜡像就应该被认为是很好的模型,无论你的目的为何。

这种论点能否说服其他科学家还有待观察,但沃尔弗拉姆一点也不担心。他想让大众都来读他的书,而不是特定的少数人;就此目的来说,他的确很成功,不只是因为有了油嘴滑舌的宣传机器。

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