圖靈如何用數(shù)學(xué)破譯自然界

圖靈何用學(xué)破自然ManyhaveheardofAlanTuring,themathematicianandlogicianwhomoderncomputingin1935.knowthecryptologistwhocrackedtheNaziEnigmahelpedtheyrememberTuringasaforgayrightswho,afterbeingprosecutedandsentencedtochemicalcastration,committedsuicidebyeatingapplelacedwithcyanidein1954.很多人都聽說過艾倫圖AlanTuring)，知道他是一位數(shù)學(xué)家和邏輯學(xué)家，在1935年發(fā)明了現(xiàn)代計(jì)算。他們知道圖靈是一位密碼學(xué)家，破譯了納粹的碼，幫助同盟國贏得了第二次世界大戰(zhàn)他們還知道圖是同性戀權(quán)利的殉難者在被起訴并被判處化學(xué)閹割后，他于1954年了一個涂有氰化物的蘋果，自殺身亡。fewhaveheardofTuring,thenaturalistwhoexplainedpatternsinnaturewithmath.Nearlyhalfacenturyafterpublishinghisfinal1952,chemistsandbiologicalmathematicianscamethepowerofhislatetoexplainproblemstheyweresolving,howzebrafishgettheirorcheetahsgetspots.Andnow,scientistsarefindingnewinsightsfromTuring’s但很少有人知道圖靈是一位博物學(xué)家用數(shù)學(xué)來解釋自然界的圖案他年發(fā)表最后一篇論文后的近半個世紀(jì)里學(xué)和生物數(shù)學(xué)家們開始意識到后的工作可以用來解釋他們正在解決的問題，例如，斑馬魚的條紋或獵豹的斑點(diǎn)是如何形成的。甚至到現(xiàn)在，科學(xué)家們還在從圖靈的遺產(chǎn)中找到新的洞見。Mostrecently,inapaperpublishedThursdayinScience,chemicalengineersinChinausedpatterngenerationdescribedTuringtoexplainamoreefficientprocesswaterdesalination,whichisincreasinglybeingusedtoprovidedrinkingandirrigationinaridplaces.最近一次，在周四發(fā)表在《科學(xué)》雜上的一篇論文中，中國的化學(xué)工程師利用圖靈描述的斑圖生成理論闡釋了一種更有效的海水淡化處理方法淡化正越來越多地被用于干旱地區(qū)的飲用水和灌溉用水供給。Turing’spaperdidnotexplicitlyaddresstheofsaltwaterthroughmembranesheusedchemistrytoexplainhowundifferentiatedballsofcellsgeneratedforminorganisms.圖靈那篇1952年論文沒有明確提到以通過薄膜過濾鹽水來產(chǎn)生淡水是用化學(xué)解釋了沒有明顯差別的細(xì)胞球是如何在生物體中產(chǎn)生形狀的。Itunclearthisinterestedtheearlycomputerscientist,hadtoldafriendthathetodefeatFromDesign,theideathatfor

patternstoexistinnature,somethingsupernatural,likeGod,hadtothem.尚不清楚這為什么引起了這位早期計(jì)算機(jī)科學(xué)家的興趣靈曾對一位朋友說他想推翻目的論證，即自然界中存在的復(fù)雜圖案一定是某種超自然的東西創(chuàng)造出來的，比如上帝。Akeennaturalobserverchildhood,Turingnoticedthatmanyplantscontainedcluesthatmathmightbeinvolved.SomeplanttraitsemergedasFibonaccinumbers.Thesewerepartofaseries:Eachnumberequalsthesumofthetwoprecedingnumbers.Daisies,example,had34,55or89petals.圖靈從小就是敏銳的自然觀察者注意到許多植物包含著可能與數(shù)學(xué)相關(guān)的線索些植物的性狀中存在斐波那契數(shù)列。這個數(shù)列的一個特征是：每個數(shù)字等于前面兩個數(shù)字的和。例如，雛菊有、或89個瓣。certainlynomilitant”saidJonathanSwinton,atationalbiologistandvisitingprofessortheUniversityOxfordwhohasresearchedTuring’slaterlife.justthoughtmathematicswasverypowerful,youcoulduseitexplainlotslotsofthingsandyoushouldtry.“他當(dāng)然不是一位激進(jìn)的無神論者”牛津大學(xué)University的座教授、計(jì)算生物學(xué)家喬納·溫頓Jonathan說他研究了圖靈的后期工作和生活“他只是認(rèn)為數(shù)學(xué)非常強(qiáng)大，你可以用它來解釋很多東—你應(yīng)該試一試。AndTuringdid.圖靈的確嘗試了。cameupwithamathematicalrepresentationthatallowsformtoemergefromblankness,saidDr.on.“他提出了一種數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以無到有地生成形狀”斯溫頓說。InTuring’smodel,twochemicalshecalledinteractedblank“Supposeyougottwoofthese,onewilltheskinofanimalgoblackandtheskinoftheanimalgowhite,”explainedDr.Swinton.“Ifyoumixthesethingsinarena,whatyougetisagrayanimal.”在圖靈的模型中，兩種被他稱作成形的學(xué)物質(zhì)在一個空白區(qū)域相互作用?！凹僭O(shè)你有兩種成形素一會讓動物的皮膚變黑一種會讓動物的皮膚變白”溫頓博士?！叭绻阉鼈兓旌显谝黄?，動物的皮膚就會變成灰色somethingcausedonechemicaltodiffuse,orspread,thantheother,couldconcentrateinevenlylocalizedtogetherformingblackandwhitespotsorstripes.

但如果某種原因?qū)е乱环N化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散得比另一種快就會集中在間隔均勻的局部區(qū)域，形成黑色和白色的斑點(diǎn)或條紋。Thisisknownasa“Turinginstability,and,theChineseresearcherswhopublishedthedeterminedthatitcouldexplainthewayshapesemergedinsalt-filteringmembranes.這被稱作圖靈不穩(wěn)定性發(fā)表這篇新論文的中國研人員斷定可以解釋鹽過濾膜中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。Bycreatingthree-dimensionalTuringpatternslikebubblestubesinmembranes,theresearcherstheirpermeability,creatingfiltersthatcouldbetterseparatefromwaterthantraditionalones.通過在膜上制造氣泡和管道等三維圖靈結(jié)構(gòu)究人員增加了它們的滲透性種濾器能夠比傳統(tǒng)過濾器更好地分離鹽和水。

“Wecanuseonemembranetofinishtheworkoftwothree,”saidZheTan,graduatestudentatZheijangUniversityin