Erst vor kurzem habe ich mich mit etwas namens Partikelleben beschäftigt. In diesem Video geht es darum, was es ist und was wir vielleicht daraus lernen können. Nur ein kurzer Hinweis: Einige Szenen in diesem Video enthalten Muster, die Auslöser für Migräne, Trypophobie oder andere visuell stimulierte Erkrankungen sein können. Wenn Sie empfindlich auf solche Dinge reagieren, ist dieses Video möglicherweise nicht das Richtige für Sie. Wie so oft bei solchen Dingen gibt es diese Sache schon seit einigen Jahren und ich bin ziemlich spät dran, aber nun gut . Das ist Leben auf Teilchenebene. Es handelt sich um eine Website, auf der, wie Sie sehen können, unzählige kleine farbige Punkte herumschwirren , miteinander interagieren und interessante größere Formen bilden, und diese größeren Formen bewegen oder schwimmen manchmal herum, als wären sie Lebewesen. Was hier vor sich geht, mag recht komplex erscheinen, und komplex ist es auch . Tatsächlich könnte man beim Anblick dieser im Wasser treibenden Dinger denken, dass sie vielleicht jemand speziell so programmiert hat, dass sie so aussehen und sich so verhalten, wie sie es tun. Aber diese Dinge haben beschlossen, das alles von selbst zu tun . Alles, was Sie hier sehen, basiert auf einer Partikelsimulation mit einer recht geringen Anzahl relativ einfacher Regeln. Es handelt sich im Grunde um eine stark vereinfachte Physiksimulation, die auf interessante Weise zeigt, wie komplexe Verhaltensweisen aus einfachen Bausteinen entstehen können. Es handelt sich also um eine Simulation, in der eine Ansammlung von Partikeln miteinander interagiert, aber warum wird sie als Partikelleben bezeichnet? Sind diese Dinge hier drin tatsächlich lebendig? Nein . Oder zumindest wahrscheinlich nicht. Ich sage das, weil sich herausstellt, dass es schwieriger ist, als es zunächst scheinen mag, klar und unmissverständlich zu definieren, was wir unter „lebendig“ verstehen . Es ist tatsächlich sehr schwierig, eine strenge, vollständige Definition von Lebewesen zu finden, die weder bestimmte Dinge ausschließt, von denen wir intuitiv wissen, dass sie leben, noch versehentlich Dinge einschließt, die wir im Allgemeinen nicht als Lebewesen betrachten . Eine gängige Definition von Lebewesen könnte beispielsweise lauten, dass sie in sich abgeschlossen oder begrenzt sind. Das heißt, es gibt einen Ort, an dem sie sind, und einen Ort, an dem sie nicht sind. Zwischen ihnen und dem Rest des Universums besteht eine Grenze. Im Falle von Bakterien ist das die Zellmembran. Im Falle des Menschen sind es die Haut und so weiter. Sie verbrauchen Dinge oder verarbeiten Energie. Sie besitzen einen Stoffwechsel, der es ihnen ermöglicht, durch die Nutzung chemischer Reaktionen aktiv zu bleiben. Also, Aufnahme und Verdauung. Und Fortpflanzung. Das heißt, sie können Kopien von sich selbst anfertigen. Das Problem mit dieser Definition ist, dass sie Dinge wie einzelne Arbeiterameisen ausschließt, die nicht zur Fortpflanzung fähig sind , obwohl niemand bestreiten würde, dass sie leben. Und diese Definition umfasst auch Dinge wie Feuer. Eine Flamme hat zwar Grenzen, aber sie nutzt chemische Reaktionen, um sich selbst zu erhalten, und sie kann sich vermehren. Ein Feuer kann Funken freisetzen, die neue Brände entfachen können. Und dennoch glaubt niemand, dass das Feuer wirklich lebt. Und egal, wie man die Definition anpasst, am Ende schließt man immer etwas ein, was man nicht einschließen möchte, oder schließt etwas aus, was man eigentlich einschließen möchte. Lebende oder Lebewesen – das ist eine dieser Dinge, bei denen man sie erst erkennt, wenn man sie sieht. Aber das führt jetzt etwas vom Thema ab, denn dieses Ding heißt Partikelleben, nicht etwa weil irgendjemand glauben will, dass diese kleinen Geschöpfe tatsächlich lebendig sind, sondern weil es sich von früheren Arbeiten inspirieren lässt. Genauer gesagt, John Conways Spiel des Lebens. Manchmal auch einfach nur Conways Leben oder einfach Leben genannt. Werfen wir also einen kurzen Blick darauf, was das ist. John Conway war ein sehr talentierter englischer Mathematiker, der zu einer Vielzahl interessanter Erkenntnisse in verschiedenen mathematischen Bereichen sowie zur theoretischen Physik beigetragen hat. Am bekanntesten ist er jedoch als Erfinder des zellulären Automaten „ Game of Life“ aus dem Jahr 1970, der sich großer Beliebtheit erfreute. Tatsächlich missfiel es Conway zunehmend, dass er vor allem für dieses Gerät bekannt war, und er hatte das Gefühl, dass die ihm zuteil gewordene Aufmerksamkeit viele seiner anderen Leistungen überschattete. Ich verlinke hier die Wikipedia-Seite über ihn, wo Sie mehr über diese anderen Dinge lesen können. Das ist ein wahrer Kaninchenbau. So läuft Conways Leben jedenfalls ab. Es handelt sich um ein Raster aus Quadraten oder Zellen. Das ist die Welt. Eine Zelle kann entweder lebendig sein, also gefüllt, oder tot, also leer. Was mit einer Zelle geschieht, wird durch den Zustand ihrer acht Nachbarn bestimmt. Wenn eine lebende oder belegte Zelle zwei oder drei Nachbarn hat, bleibt sie unverändert. Es überlebt. Hat es weniger als zwei Nachbarn, stirbt es an Isolation. Wenn es vier oder mehr Nachbarn hat, stirbt es an Überbevölkerung. Und wenn eine leere Zelle von genau drei Nachbarn umgeben ist, entsteht dort eine neue Zelle . Und das war's. Nur ein paar ganz einfache Regeln. Und doch, wenn diese Regeln wiederholt auf ein Raster angewendet werden, das ein anfängliches Zellmuster enthält, erhält man so etwas. Offenbar geschehen recht komplexe Dinge , aber alles basiert auf diesen wenigen einfachen Regeln. Wie wir an diesem Beispiel sehen können, wächst und entwickelt sich aus einem ganz einfachen Ausgangsmuster etwas, das in gewisser Weise einer Kolonie von Lebewesen wie Bakterien oder Ähnlichem ähnelt. Und schließen Sie auch einige Dinge ein, die wie eigenständige Organismen zu funktionieren scheinen. Hier ist eines der einfacheren und bekannteren Beispiele dafür. Dieses Ding nennt man Gleiter, und es ist ein Bewegungsmuster, das beim Durchlaufen des Gitters mehrere Zustände durchläuft. Sie sehen hier gerade eine Umsetzung von Conways Leben in einem Webbrowser, aber es gab im Laufe der Jahre schon viele Umsetzungen davon. Tatsächlich ist die Popularität dieser Sache zum Teil darauf zurückzuführen, dass sie sich auf fast jedem Computer sehr einfach implementieren lässt . Interessanterweise handelte es sich bei Conways ursprünglicher Entwicklung nicht um ein Computerprogramm. Er führte die Berechnungen manuell mit Bleistift auf karierten Papierbögen durch. Ein Computer ist hierfür nicht erforderlich . Das ist also Conways Leben, und das Teilchenleben heißt Teilchenleben, weil es davon inspiriert ist. Aber das Leben auf Partikelebene ist kein zellulärer Automat. Es findet nicht in einem Raster aus einzelnen Zellen statt. Es handelt sich um eine Simulation, die aus einer Ansammlung von Partikeln verschiedener Farben besteht. Jede Farbe hat ihre eigenen definierten Wechselwirkungen mit allen anderen Farben der Partikel. Schauen wir uns an, wie das mit nur zwei Partikeln zweier verschiedener Arten, roten und grünen, funktionieren würde. Jeder Partikeltyp besitzt einige Parameter in Bezug auf den anderen Typ. Erstens, ob es von dem anderen Teilchen angezogen oder abgestoßen wird, und zweitens, die minimale und maximale Reichweite, über die diese Anziehung oder Abstoßung wirksam ist. Die Reichweitenparameter sind gewissermaßen eine technische Notwendigkeit, damit die Simulation nicht die Wechselwirkung mit jedem einzelnen anderen Partikel in der Welt berechnen muss, selbst wenn diese weit entfernt sind. Aber auch innerhalb ihrer Wirkungsbereiche weisen diese Kräfte Gradienten auf, genau wie magnetische und elektrostatische Kräfte in der realen Welt. Nähere Dinge werden stärker geschoben oder gezogen als weiter entfernte Dinge. Wenn sich ein Teilchen also nur anziehen oder abstoßen kann, was hindert sie dann daran, entweder alle zusammenzuklumpen oder alle auseinanderzufliegen? Die Antwort liegt im definierten Verhalten der anderen Partikelarten. Wir könnten zum Beispiel sagen, dass Rot sich über einen relativ großen Bereich von Grün angezogen fühlt, aber wir können auch definieren, dass Grün sich über einen kurzen Bereich stärker von Rot abstößt. Das Ergebnis ist, dass Rot versucht, sich Grün anzunähern, aber wenn es sich nähert , versucht Grün, sich zu entfernen. Rot wird immer wieder versuchen, sich Grün anzunähern und wird am Ende Grün über den Bildschirm jagen. Das ist lediglich die einfachste Veranschaulichung mit nur zwei Partikelarten und jeweils nur einem Partikel jeder Art . Wenn Sie mehrere Exemplare jedes Partikeltyps haben, dann benötigen Sie einen weiteren Parameter, der beschreibt, wie Grün auf Grün und wie Rot auf andere Rottöne reagiert. Mit diesen zusätzlichen Parametern entsteht also nicht nur Bewegung, sondern auch Struktur. Wenn beispielsweise Rot von Grün und sich selbst angezogen wird, verklumpt es und jagt Grün hinterher. Wenn Grün von Rot und sich selbst abgestoßen wird, neigt es dazu, sich auszubreiten; wird es jedoch von Rot eingefangen, breitet es sich dennoch in einer Hülle um einen roten Kern aus. Die Ausgangspositionen aller Partikel sind zufällig, daher erfolgt die Anordnung dieser Partikel in der Regel nicht perfekt symmetrisch. Und dann, anstelle von ordentlichen Klumpen, erhält man oszillierende Gebilde oder einfache Dinger, die wie schwimmende oder wirbelnde Kreaturen aussehen. Sie sind aber nicht auf zwei Arten von Partikeln beschränkt. Und für jeden Partikeltyp gibt es einen Satz von Wechselwirkungsparametern für alle anderen Typen. Dies wird in einer Matrix verwaltet, die folgendermaßen aussieht . Und Sie können all diese Parameter anpassen, um zu versuchen, dass sich die Dinge auf bestimmte Weise verhalten. Aber oft macht es genauso viel Spaß, alles zu randomisieren und zu beobachten, wie sich das Ganze auf der Grundlage dieser zufällig zugewiesenen Parameter entwickelt. Wenn überwiegend abstoßende Kräfte wirken, neigen die Dinge dazu, sich in einem statischen Muster auszubreiten. Manchmal eine recht interessante Geschichte . Wenn es sich bei dem, was man hat, hauptsächlich um anziehende Kräfte handelt, neigen die Dinge dazu, sich zu einer kleinen Ansammlung von wenigen Kugeln zusammenzuballen. Die interessantesten Dinge passieren meist dann, wenn Anziehung und Abstoßung im Gleichgewicht sind. Weil es Teilchen gibt, die unbedingt neben anderen Teilchen sein wollen, die das eigentlich nicht wollen, entsteht Aktivität. Generell gibt es in der Simulation auch Reibungsverluste, wodurch sich die Dinge tendenziell abschwächen. Die Alternative würde zu wirklich lauten und chaotischen Unruhen führen. Meistens beginnt man mit einer zufälligen Verteilung verschiedener Partikel, und daraus entwickeln sich kleine Schwärme von Partikeln, die sich bewegen, weitere Partikel derselben Art zusammenziehen und so Cluster bilden, die übereinander gestapelte Schichten bilden, welche einander jagen . Es beginnt sehr schnell einer Welt zu ähneln, die von matschigen, biologischen Schwimmwesen bevölkert ist, die umherflitzen, Dinge fressen und sich gegenseitig fressen oder meiden . Oftmals kommt es zu einem Punkt, an dem einige dieser Kreaturen so viele Partikel angesammelt haben, dass ihr gallertartiges Wackeln chaotisch wird und sie aufhören zu schwimmen, heftig pulsieren und dann explodieren, wobei sie Partikel abwerfen, die sich zu kleineren und einfacheren Strukturen anordnen, die sich zu neuen Kreaturen verbinden können, die dann selbstständig davonschwimmen. Ich habe diese Bewegung als Schwimmen bezeichnet, und es ist sehr verlockend, beim Betrachten dieses Bildes anzunehmen, dass diese Partikel oder Einheiten in einer Art klarer Flüssigkeit suspendiert sind. Die Art und Weise, wie sich die Dinge bewegen, deutet tatsächlich darauf hin . Aber es gibt kein Substrat. Hier gibt es keine Flüssigkeit. Das Fluid ist die Simulation selbst. Die Partikel sind die Flüssigkeit. Und wenn sie sich vereinen, sind sie auch Objekte in der Flüssigkeit. Es handelt sich also letztendlich eher zufällig um eine Fluidsimulation, einfach weil es eine Physik- und, nehme ich an, auch eine Art Chemiesimulation ist. Sehr oft dominiert ein bestimmtes Beispiel einer bestimmten Anordnung von Partikeln. Es bewegt sich rasch über den Bildschirm und verbraucht oder verbindet sich mit Gruppen von Partikeln, die es selbst enthält. Und wenn das passiert, kann es den Rest der Welt so sehr in Aufruhr versetzen, dass all die anderen Dinge kaum eine Chance haben, sich zu entwickeln, bevor dieses große Ereignis heranstürmt und alles zerstört . Es ist wirklich sehr interessant anzusehen. Und die Illusion, dass es sich um kleine Lebensformen handelt, die in einem Teich schwimmen oder so, ist wirklich ziemlich überzeugend. Manchmal erzeugt eine Reihe zufällig zugewiesener Regeln nicht wirklich einzelne, umherstreifende Kreaturen, sondern eher ein wellenförmiges Muster oder ein Feld zellartiger Gebilde in einer stärker eingeschränkten Struktur oder Dinge, die wie Ketten oder Gefäße oder dergleichen aussehen. Doch wenn wir hier näher heranzoomen, können wir sehen, dass es sich im Grunde nur um eine Vielzahl von oszillierenden Rückkopplungsschleifen von Anziehung und Abstoßung handelt. Manchmal wird das Verhalten dieser Ansammlung von Partikeln von ganz subtilen Kleinigkeiten bestimmt. In diesem Fall gibt es beispielsweise nur zwei Arten von Partikeln, und diese verklumpen . Dann bewegt sich der Klumpen über eine kurze, endliche Strecke geradlinig. Dann teilt sich das Ganze plötzlich in zwei Teile, und die beiden Teile bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, bis sie sich mit einem anderen Klumpen vereinen. Dann wiederholen sie das Spiel mit dem Ausweichen und Aufteilen. Es sieht alles sehr ordentlich und strukturiert aus. Das Merkwürdige daran ist jedoch die Konstanz der Strecke, die sie zurücklegen, bevor sie sich plötzlich teilen. Es ist fast so, als ob ein zeitlich festgelegtes Ereignis stattfindet. Es gibt jedoch keine explizite Timer-Eigenschaft in den Verhaltensweisen der einzelnen Partikel. Ich glaube vielmehr, dass hier die Ansammlungen von Partikeln beschleunigt werden. Und während sie das tun, verändern sie ihre Form, flachen sich ein wenig ab, und dadurch werden einige der Partikel so weit voneinander entfernt, dass sie einer Anziehungskraft entkommen können, die möglicherweise eine kürzere Reichweite hat, und wenn sie sich dann voneinander entfernen, reißen sie den Klumpen in zwei Teile. Dies kann jedoch erst geschehen, nachdem sich die Form des Klumpens während der Bewegung ein wenig verändert hat . Nun, nichts hier geschieht ohne eine vollständige Erklärung. Alle diese Effekte haben eindeutige, explizite Ursachen. Und hier verhält sich alles völlig mechanisch gemäß den jeweils eingestellten Parametern. Die Simulation kann in zwei oder drei Dimensionen durchgeführt werden. Die 3D-Version ist zwar interessant, aber ich finde die 2D-Welt angenehmer für die Augen und es ist einfacher zu verstehen, was vor sich geht. Was soll das Ganze also ? Nun, wenn Sie wollen, muss es überhaupt keinen Sinn geben. Es kann sich einfach um ein interessantes Spielzeug oder ein ansprechendes animiertes Hintergrundbild handeln. Aber falls Sie daran interessiert sind, ist dies auch eine Möglichkeit, emergente Phänomene zu verstehen oder mit ihnen zu experimentieren . Das heißt, wie scheinbar komplexe und organisierte Großprojekte aus einer sehr großen Anzahl sehr kleiner Dinge entstehen können, die alle einzeln einer einfachen Reihe von Regeln folgen. Ähnliche Phänomene lassen sich auch beim Zusammenschluss von Vögeln beobachten. Hier sieht man einen Schwarm Stare, wie Insekten schwärmen und wie Fische Schwärme bilden. Es mag wie eine organisierte, intelligente, große Einheit aussehen, aber das alles geschieht, weil die einzelnen Teile einfachen, lokalen Regeln folgen. Aber auf einer viel kleineren Ebene funktioniert die Wechselwirkung von Atomen und Molekülen miteinander, die es Lebewesen ermöglicht, zu existieren, folgendermaßen: Alle Atome in Ihrem Körper tun genau das, was Atome tun sollen. Sie folgen einer Reihe einfacher, vorhersehbarer Verhaltensmuster bei der Interaktion mit anderen Atomen in Ihrem Körper, in der Luft, die Sie atmen, und in den Lebensmitteln, die Sie essen. Doch die Summe all dieser Wechselwirkungen ist ein unfassbar komplexes und nuanciertes, emergentes Phänomen. Es ist nicht zufällig. Es ist in der Tat sehr organisiert und ordentlich. Aber es basiert auf einfachen Regeln, die bis hinunter zu den Atomen und sogar noch weiter hinunter zu den Dingen reichen, aus denen diese Atome bestehen. Der Komplexität der Dinge, die im partikulären Leben entstehen können, sind Grenzen gesetzt, einfach weil es sich um einen winzigen Mikrokosmos handelt. Es gibt nur 20 Arten von Teilchen, nur eine Kraft, keine Wertigkeiten, Ionenbindungen oder Atomgewichte, und die maximale Anzahl der beteiligten Teilchen ist auf einige Hunderttausend begrenzt. In der Praxis sind es vielleicht sogar weniger, es sei denn, Sie besitzen einen sehr leistungsstarken Computer. Das ist um ein Vielfaches weniger als die Anzahl der Atome im kleinsten Staubkorn, das man sehen kann. Es gibt also viele Gründe, warum wir nicht erwarten sollten, dass hier tatsächliche Analoga lebender Organismen oder gar Analoga normaler Chemie entstehen. Und es gibt nicht einmal Raum, um diese Dinge absichtlich herzustellen . Aber ich denke, es ist dennoch ein nützliches Beispiel dafür, wie komplexe Dinge aufgebaut werden können, oder besser gesagt, wie sie sich aus einfachen Teilen selbst organisieren, indem sie einfachen, unkomplizierten Regeln folgen. Ich habe auf diesem Kanal schon einmal erwähnt, dass ich nicht viele richtige Videospiele spiele , aber so etwas wie das hier, einfach eine Sandbox, kein Spiel mit einem bestimmten Ziel, eher eine Art Konstruktionsspielzeug oder Schreibtischdekoration, kann mich stundenlang beschäftigen und faszinieren . Der Rest dieses Videos besteht lediglich aus einer Galerie einiger Muster, die ich aufgenommen habe und die mir beim Ansehen gefielen, untermalt mit etwas Ambient-Musik. Danke fürs Zuschauen und ich hoffe, wir sehen uns bald wieder . [Musik] [Musik] [Musik] Ja. [Musik] Halleluja. Halleluja. [Musik] [Musik] [Musik] [Musik] Mhm.