内容提要 在不断变化的科学世界中,新工具常常导致重 大的发现,从而戏剧性地改变我们的认识。今天,借 助于一种新工具,科学家们正在掀起一场科学革命, 其深远意义恰如当年伽利略的望远镜所引发的革 命。从计算机存储器中的位和字节出发,研究人员 正在崇尚真实世界的一种硅替身一精致的“人工 世界”,这使他们可以完成在“肉体形式”下不太现 实代价过高,或者在某些情况下过于危险的实验。 从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模 型,以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式,这 些未来的安验室是一种有争议的新科学方法的重要 工具。这种新方法不是基于直接的观察与实验,而 是基于从真实空间向虚拟空间的映射。在这里,诞 生了一门崭新的学科—一仿真学。 人工(虚拟)世界所映射的最为振奋人心的领 域,是“复杂自适应系统”的新疆域。这些系统(从环 境生态系统到市场经济系统)涉及活的“主体”,它们 以多种方式不断改变自身的行为,这些方式无法用 科学的旧规则进行预测和测量。科学家们的探索代 表了21世纪科学发现的新视野,而仿真世界正在绘 制航向图。 在《虚实世界》一书中,深受欢迎的科学作家约 翰·L卡斯蒂带领我们走过一段浏览到许多不寻常
硅化微世界的令人着迷的旅程,向我们展示它们如 何被用来建立重要的新理论,如何解决一些实际间 题。我们访问“ Tierra”,一个“计算箱”,人工生命在 其中形成生长和突变的生物形态,它揭示自然选择 和进化的新观点。我们玩一场“均勢”游戏,一个刻 画地缘政治复杂力量的仿真程序。我们还驱车途经 了“ TRANSIMS”,新墨西哥州阿尔布开克市的一个模 型,寻找交通阻塞和交通事故等事件的根源。 沿着这条途径,卡斯蒂探讨了在这些“虛拟世 界”中提出的新仿真学中若干意义深远问题的答案 如果我们能够随意在计算机中创建世界,我们该说, 它们有多么宴实?它们能够揭开我们这个世界最难 攻克的奥秘,还是仅能揭示另一种实在的规律?这 些模型必须如何之“真实”?它们又可以达到怎样的 真实?对这些问题的回答,很可能彻底改变科学的 面貌
作者简介 约翰·L卡斯蒂,圣菲研究所成员,维也纳理工 大学教投,著有《范式丧失》、《寻求确定性》、《复杂 化》和《五条黄金规则》
目录 序 第一章 真实的字节 第二章 作为程序的图形 第三章 惊奇的科学 91 第四章 人工世界 141 第五章 虚拟的真实性 197 参考文献 233
序 我的一位朋友看到本书的初穑时,他惊呼道: “噢,天哪,你终于写了一本没有方程式,没有希腊符 号,也没有其他任何数学成分的书。怎么回事?是 出了什么差错,还是你决定可怜我们这些数学盲? 出于礼貌,或者更可能是为了抬高这位知识分子的 地位,我可能作大致如下的回答:不一定要飞跃数学 的最前洛,才能解释复杂系统的奇特方式。那可能 是我所言,但肯定不是我所思。穿过我脑海的想法 是:非常遗憾本书不能充满数学秘方,因为倘若如 此,也只意味着我们有一些貌似像样的复杂系统理 论的东西。但我们没有。事实上,我们甚至还没有 接近此种理论。《虚实世界》这本书讲述,为什么我 们甚至还没有接近它,通向此种理论之路的障碍的 本质是什么,以及目前的研兖人员正在如何设法清 除这些障碍。 复杂系统遍布日常生活的每一个角落,从城市 交通网络的流动模式,到金融市场价格的涨落。与 牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统相比, 这些过程具有根本性的不同。简单系统通常或者是 少量的个体对象,它们之间的相互作用比较弱;或者 是封闭的气体或遥远的星系,其中所包含的对象数 目是如此之大,以至于我们可以采用统计平均方法
来研究它们的行为。复杂系统涉及中等数目的主 体:司机、交易人、分子……。不仅如此,在复杂系统 中,主体通常具有智能性与自适应性,它们可以按照 各种规则作出决策,随时准备根据接收到的新信息 修改自身的行为规则。在这些系统中没有独裁者或 集权统治者,没有哪个司机、交易人或分子知道系统 中其他所有主体在做什么。所以,复杂系统的主体 根据局部信息而非全局信息作出策并修改其行为 规则 复杂系统一具有中等数目基于局部信息作出 行动的智能性、自适应主体的系统—一的这些特性 与当前科学所研究的简单系统的特性差别如此之 大,我觉得可以放心地说,复杂系统研究代表了探求 关于我们周围世界的科学知识的新篇章。幸运的 是,就在复杂系统中的不可预测行为正有力地将自 身引起我们注意的历史时刻,技术已经向我们展示 了一种用来探测它们反复无常特性的一种奇妙工 具。当然,这种工具就是数字计算机。 科学哲学中最受人尊崇的原理之一,是所谓的 科学方法,通过科学方法,人们可以获得关于宴实世 界中各种现象的科学知识。科学方法的一个组成部 分是可重复的受控实验思想,即用实验来检验关于 世界如何成其为世界的种种假说。不借助于进行这 类实验的实验室,就不会有关于任何事物的真正的 科学理论。这样实验室有许多形式:拥有试管、曲 颈瓶和本生灯的化学实验室;用来探测物质内核的 价值数百万美元的粒子加速器;在普通中学生物实
验室中我们解剖青蛙,通过显微镜观察植物细胞。 然而,这些都是仅适用于简单系统中物质结构研究 的实验室。也许不同于其他任何系统的是,《虚实世 界》致力于把计算机作为研究复杂系统信息结构的 实验室来对待。 创建真实世界中复杂系统的硅替身,使我们能 够在真实的计箅机上进行可重复的受控实验。因 此,从这种意义上看,复杂系统的理论家们正处在与 伽利略时代的物理学家们相近的位置上,当时的物 理学家预示了对简单系统进行实验的思想。正是伽 利略的努力,为牛顿建立筒单系统的理论铺平了道 路。不幸的是,复杂系统仍在等待它们的“牛顿”。 然而,借助于刚刚得到的可以在计算机中创建各种 情形下世界的新能力,我们可以与真实的复杂系统 展开大量的“假定一推测”型游戏,再不必将系统划 分为简单的子系统,也不必因为实验耗资过大过于 不现实,或者过于危险而干脆放弃实验。《虚实世 界》提供了这场信息革命的第一手资料,在我看来, 信崽革命将形成21世纪中所谓常规科学的基础。 读者在阅读本书时将很快发现,书中的工作深 受圣菲研究所( Santa Fe institute,简称SFI)的影响。 这并非偶然,假如有人问我从现在开始的50年中, SFI将为人类的利益和科学的进步作出什么贡献, 我想回答将是这样的:SFI在科学领域中处于利用 计算机作为研究复杂自适应系统—尤其是那些产 生于社会科学、生物科学以及行为科学的系统 的实验室的先锋位置。因为这项工作仍处于它的孩
提时代,所以贯穿本书的SFI近期所进行的工作,或 围绕SF展开的工作,一点都不引人注目。有鉴于 此,我想借此机会感谢S的诸多同事,他们花费了 大量的时间帮助我,确保我所讲的不致过于随意。 所以,不加特意排序地,我真诚地向他们致谢:兰顿 ( Chris langton),阿瑟( Bran arthur),米纳尔( Nelson Minar),勒巴朗( Blake lebaron),布罗克( Buz Brock), 考夫曼( Stuart Kauffman),雷( Tom Ray),卡尔奎斯特 ( Anders Karlgvist),盖尔曼( Murray Gell-Mann),弗克 廷格( Gustav Feichtinger),阿克斯特尔( Rob axtel),舒 比克( Martin Shubik),巴雷特( Chris barrett,舒斯特 ( Peter schuster),西蒙斯( Mike simmons),法默( Doyne Farmer),拉斯穆森( Steen rasmussen),加德纳(Jin Gardner),米切尔( Melanie Mitchel),爱泼斯坦(Josh stein),特劳布( Joe Traub),丰塔纳( Walter Fontana),以及莫罗维茨( Harold morowitz) 同时,我想向斯德哥尔摩米来研究所的安德森 ( Ake andersson)教授致谢。未来研究所激勋求知的 环境和对本项目的部分资助,对本书许多内容的写 作起了很大作用。我同样感谢阿朗( Hanna Alen)女 士,她在未来研究所的一次愉快的喝咖咔休息交谈 中建议了本书的书名 另外,特别感谢杰克逊( Atlee jackson)与莱恩 ( David lane),他们阅读了全部手稿,并提出了改进 内容与表述的重要建议。当然,再次称赞我的编辑 路丝( Emily Loose)女士,她从一开始就坚决支持本 书的想法。她的具有洞察力(且令人激奋!)的批评
加上她主张素材对大众易于理解,帮助我将枯燥、晦 涩、学术性的大部头书,转化成了我所希望的任何人 都能读懂的读物。若非如此,全都是作者的过错。 约翰·L卡斯蒂 圣菲,新墨西哥
第一童 真实的字节 出入电子橄榄球场 与大众信念不同,在很长一个时期内,从世界范围关注程 度来看,世界上最大的体育盛会不是奥林匹克运动会,雨是世 界杯足球赛。与奥林匹克运动会类似,世界杯足球赛每四年 举行一次,每次持续两周或更长的一段时间。美国于1994年 主办了这一全球性的盛会—那是多么壮观的场面!巴西足 球队与意大利足球队之间的决赛在加利福尼亚州帕萨迪纳市 的罗斯体育场举行,10万人亲眼目睹了这场比赛,另外至少 有10亿全球观众通过电视观看了比赛的现场直播。7月17 日,这场壮观的决赛在经过两个球队长达120分钟的拼斗后 双方仍未能进球,最后,经过点球决胜负,巴西队最终以3:2 获胜。 对于巴西队与意大利队这样两个堪为匹敌的足球队,我 认为许多球迷存在和我一样的疑问:如果让这两个球队再比 赛一场的话,那会怎样?如果再比赛10场或100场呢?巴西 队是在这样的附加赛中表现出明显的优势,还是可以从帕萨 迪纳的那场具有决定意义日子中的实况推理出的那样,两个 球队基本打平?我想我们将永远无从得知。但是,至少有 种设想该问题答案的方法,那就是创建两个球队的计算机仿 真。我们可以让他们在电子球场上比赛,而不是在罗斯体育 场的青草地上。为了有说服力,这样的仿真程序应该将每个