The Nature of Code閱讀心得與Python實作:7.1 What Is a Cellular...

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這一節的標題是
What Is a Cellular Automaton?
因為方格子標題字數限制,所以沒完整顯現

細胞自動機的英文是cellular automaton,複數型態為cellular automata,簡稱CA,是一種由細胞物件所組成的系統模型。細胞物件具有以下特徵:

  • 細胞生存在有限維度的網格中。
  • 每個細胞都會有一個狀態,這個狀態可以隨時間而改變。細胞可能的狀態數量通常是有限的。細胞的狀態中,最簡單的是0、1;也可以用on、off或者「活著」、「死亡」來表示。
  • 每個細胞都有一個「鄰域」(neighborhood)。鄰域有不同的定義方式,不過通常會涵蓋細胞本身以及毗連於細胞的其他所有細胞。

雖然CA可以模仿出像是具備生命一樣的行為,但CA中的細胞並不是指生物學上的細胞,它們就只是像試算表儲存格一樣,位於網格中的一個個各自獨立的單元而已。下圖是一個細胞狀態只有0、1兩種的2D CA:

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細胞自動機的發展是由Stanisław Ulam及John von Neumann這兩個1940年代新墨西哥州Los Alamos實驗室的研究員所帶起的;當時Ulam正在研究晶體的生長,而von Neumann則是在研究能夠自我複製的機器。

研究CA的另一個著名人物是Stephen Wolfram,他認為CA並非只是玩弄一些技巧而已,而是和生物學、物理、化學等所有科學的分支都有所關聯。歷經多年研究,Stephen Wolfram在2002年發表了《A New Kind of Science》這本書;一本網路上可免費取得,長達1280頁的鉅著。本章後續也會實作一些Stephen Wolfram的研究成果。Stephen Wolfram的研究工作仍在持續進行當中,相關的研究內容與成果可以參考《Wolfram Physics Project》這個網站。

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基礎CA的規則集總共有256個,經由這些規則集所生成的圖案,大部分看起來都平平無奇;不過,還是有些圖案真的是會讓人驚嘆不已,因為實在是跟自然界中可以看到的圖案樣式很相像。根據這些圖案的樣式和特性,Wolfram把它們分成四大類,接下來就來看看,這四大類的圖案各有怎樣的樣式和特性。
這節介紹Wolfram的基礎CA (elementary CA)設計方式,以及其迭代過程所構成的圖案。
這一章介紹的是細胞自動機(cellular automaton),一種不是植基於物理定律的複雜系統。
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