Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Однако уже при первых попытках компьютерного моделирования бойды продемонстрировали именно согласованное движение, причем их поведение, например, при выводе данных на экран монитора, поразительно напоминало движение реальной птичьей стаи! Затем Рейнольдс начал постепенно вводить дополнительные условия, усиливая или ослабляя тенденции перемещения в определенных направлениях (это можно сравнить с поиском стаей новых источников питания или проживания), что позволило ему моделировать коллективное поведение в широком диапазоне условий, имитирующих реальные обстоятельства. Успехи Рейнольдса в имитации поведения стай были столь впечатляющими, что привлекли внимание голливудских кинорежиссеров, которые стали широко применять разработанные им программы в мультипликации, и именно на их основе были созданы впечатляющие спецэффекты в таких известных фильмах, как Возвращение Бэтмена (атака летучих мышей) и Король Лев (сцены массового бегства антилоп гну).

Бойды представляют собой виртуальные объекты, которые физики и математики традиционно называют автоматами, подобиями роботов, жестко запрограммированных на выполнение набора правил или команд, определяющих реакцию на состояние окружения. Главной особенностью автоматов является детерминизм их поведения: устройство получает информацию об окружении, осуществляет требуемые инструкциями вычисления, а затем анализирует полученные результаты по заданным критериям, предписывающим дальнейшие действия.

Концепция автоматов, напоминающих виртуальные частицы, была предложена венгерским математиком Джоном фон Нейманом (1903-1957) еще в 1930-х годах, когда он приступил к разработкам, ставшим позднее основой вычислительной техники, и впервые задумался о возможностях создания устройств, способных к самовоспроизведению и самоусложнению. Именно в этой связи польский математик Станислав Улам предложил фон Нейману простую и удобную для рассмотрения модель процессов развития вообще: вселенную в виде шахматной доски, на каждой клетке (или ячейке) которой располагается автомат, способный существовать в нескольких различных состояниях, которые, в свою очередь, определяются состояниями ближайших ячеек. Для человека нашего времени первым приходящим в голову примером таких ячеек являются элементы памяти ЭВМ, где каждый элемент существует в одном из двух состояний, обозначаемых цифрами 0 и 1, или словами «включено»/«выключено». Пользуясь этой моделью, фон Нейман и Улам пытались выяснить, как конкретная информация (набор данных) может воспроизвести (продублировать) себя на такой решетке.

Можно бесконечно «играть» с такими клеточными автоматами, придумывая новые правила, в соответствии с которыми клетка реагирует на состояние соседей. По-настоящему серьезное исследование динамических систем в мире клеточных автоматов стало возможным, естественно, лишь после создания первых цифровых ЭВМ. В конце 1960-х математик Джон Хортон Конвэй из Кембриджского университета сумел создать чрезвычайно интересный вариант игры с клеточными автоматами, который он провокационно назвал «Игрой жизни», позволяющий грубо моделировать процессы жизни, смерти и размножения живых клеток или целых организмов. В этой игре, с одной стороны, одиночки погибают сразу, а сообщества получают шанс развиваться и процветать, но с другой — перенаселенность сообщества также может приводить к его гибели из-за недостатка виртуальных пищевых или иных ресурсов. В «Игре жизни» каждая клетка считается живой или мертвой, причем клетка остается живой лишь при условии, что живыми являются две или три клетки в ее ближайшем окружении. Во всех других случаях клетка переходила в мертвое состояние, из которого она, впрочем, могла вновь ожить при наличии в будущем трех живых ближайших клеток (разумеется, слова «живой»/«мертвый» употребляются лишь условно и вполне могут быть заменены на термины «включено»/«выключено», «занято»/«свободно» и т. п.).

Придуманная Конвэем игра стала прототипом множества последующих исследований так называемой искусственной жизни. «Игра жизни» позволяет создавать фантастическое разнообразие кластеров виртуально живых клеток, различающихся формой и характером поведения (в Интернете можно найти несколько сайтов, посвященных этим системам). Некоторые кластеры способны распространяться по решетке, извиваясь подобно змеям или скользя по поверхности подобно птицам. Некоторые из создаваемых кластеров способны пожирать другие кластеры, а некоторые — расщепляться, порождая новые формы, и т.д. Просто удивительно, что весь этот роскошный, разнообразный и странный мир создается на основе всего нескольких очень простых правил, относящихся к локальным взаимодействиям между его элементами в виде кластеров.

Упомянутые бойды Рейнольдса, хотя и выглядят значительно сложнее описываемых клеточных автоматов, поскольку не связаны с неподвижными ячейками и поэтому способны гораздо свободнее передвигаться в виртуальном пространстве, все же остаются автоматами, так как их поведение определяется жесткими правилами. Однако стоит особо отметить, что они стали первой формой искусственной жизни, позволяющей воспроизводить довольно сложные явления реальной жизни, вследствие чего их исследования и до сих пор остаются одним из важных разделов новой обширной области исследований, объединенных названием теория сложности с ее основополагающей концепцией эмержентности[56].

Например, из поведения отдельных бойдов спонтанно возникает представление о стае, которое не было «запрограммировано» в наборе исходных правил, которые относились сугубо к движению отдельных особей. Это означает, что какая-то особенность в заданных правилах парного взаимодействия бойдов смогла породить в системе некий неожиданный режим согласованного группового поведения. Возникновение таких свойств доказывает нам, что целое не сводится к простой сумме своих частей или составляющих.

В этом контексте значение слова сложность существенно расширяется и углубляется, далеко выходя за рамки собственно физики. Многие результаты, полученные в этом направлении, пока можно назвать лишь эмпирическими исследованиями в информатике и кибернетике, т. е. созданием новых игр для автоматов и изучением поведения все новых придумываемых систем. Результаты большинства таких работ, при всей из занимательности, остаются непонятными и даже бесполезными, поскольку не имеют теоретического обоснования. Мы постоянно получаем все новые описания (а не предписания), не приводящие к углублению теоретических представлений. Гарвардский биолог Э.О. Вильсон с некоторой горечью пишет: «Сама по себе концепция эмержентности не дает никаких объяснений, если исследователь не понимает сущность механизмов, действующих в изучаемой системе»5. Поэтому все исследования искусственной жизни бойдов и любых других интереснейших компьютерных моделей поведения разнообразных стадных животных, от колоний муравьев до огромных табунов мустангов в прериях, будут оставаться всего лишь «салонными играми» ученых в области высоких технологий до тех пор, пока исследователи не поймут, что объекты их изучения относятся, в сущности, к новой области неравновесной статистической физики.