图灵如何用数学破译自然界

图灵何用学破自然ManyhaveheardofAlanTuring,themathematicianandlogicianwhomoderncomputingin1935.knowthecryptologistwhocrackedtheNaziEnigmahelpedtheyrememberTuringasaforgayrightswho,afterbeingprosecutedandsentencedtochemicalcastration,committedsuicidebyeatingapplelacedwithcyanidein1954.很多人都听说过艾伦图AlanTuring)，知道他是一位数学家和逻辑学家，在1935年发明了现代计算。他们知道图灵是一位密码学家，破译了纳粹的码，帮助同盟国赢得了第二次世界大战他们还知道图是同性恋权利的殉难者在被起诉并被判处化学阉割后，他于1954年了一个涂有氰化物的苹果，自杀身亡。fewhaveheardofTuring,thenaturalistwhoexplainedpatternsinnaturewithmath.Nearlyhalfacenturyafterpublishinghisfinal1952,chemistsandbiologicalmathematicianscamethepowerofhislatetoexplainproblemstheyweresolving,howzebrafishgettheirorcheetahsgetspots.Andnow,scientistsarefindingnewinsightsfromTuring’s但很少有人知道图灵是一位博物学家用数学来解释自然界的图案他年发表最后一篇论文后的近半个世纪里学和生物数学家们开始意识到后的工作可以用来解释他们正在解决的问题，例如，斑马鱼的条纹或猎豹的斑点是如何形成的。甚至到现在，科学家们还在从图灵的遗产中找到新的洞见。Mostrecently,inapaperpublishedThursdayinScience,chemicalengineersinChinausedpatterngenerationdescribedTuringtoexplainamoreefficientprocesswaterdesalination,whichisincreasinglybeingusedtoprovidedrinkingandirrigationinaridplaces.最近一次，在周四发表在《科学》杂上的一篇论文中，中国的化学工程师利用图灵描述的斑图生成理论阐释了一种更有效的海水淡化处理方法淡化正越来越多地被用于干旱地区的饮用水和灌溉用水供给。Turing’spaperdidnotexplicitlyaddresstheofsaltwaterthroughmembranesheusedchemistrytoexplainhowundifferentiatedballsofcellsgeneratedforminorganisms.图灵那篇1952年论文没有明确提到以通过薄膜过滤盐水来产生淡水是用化学解释了没有明显差别的细胞球是如何在生物体中产生形状的。Itunclearthisinterestedtheearlycomputerscientist,hadtoldafriendthathetodefeatFromDesign,theideathatfor

patternstoexistinnature,somethingsupernatural,likeGod,hadtothem.尚不清楚这为什么引起了这位早期计算机科学家的兴趣灵曾对一位朋友说他想推翻目的论证，即自然界中存在的复杂图案一定是某种超自然的东西创造出来的，比如上帝。Akeennaturalobserverchildhood,Turingnoticedthatmanyplantscontainedcluesthatmathmightbeinvolved.SomeplanttraitsemergedasFibonaccinumbers.Thesewerepartofaseries:Eachnumberequalsthesumofthetwoprecedingnumbers.Daisies,example,had34,55or89petals.图灵从小就是敏锐的自然观察者注意到许多植物包含着可能与数学相关的线索些植物的性状中存在斐波那契数列。这个数列的一个特征是：每个数字等于前面两个数字的和。例如，雏菊有、或89个瓣。certainlynomilitant”saidJonathanSwinton,atationalbiologistandvisitingprofessortheUniversityOxfordwhohasresearchedTuring’slaterlife.justthoughtmathematicswasverypowerful,youcoulduseitexplainlotslotsofthingsandyoushouldtry.“他当然不是一位激进的无神论者”牛津大学University的座教授、计算生物学家乔纳·温顿Jonathan说他研究了图灵的后期工作和生活“他只是认为数学非常强大，你可以用它来解释很多东—你应该试一试。AndTuringdid.图灵的确尝试了。cameupwithamathematicalrepresentationthatallowsformtoemergefromblankness,saidDr.on.“他提出了一种数学表达式，可以无到有地生成形状”斯温顿说。InTuring’smodel,twochemicalshecalledinteractedblank“Supposeyougottwoofthese,onewilltheskinofanimalgoblackandtheskinoftheanimalgowhite,”explainedDr.Swinton.“Ifyoumixthesethingsinarena,whatyougetisagrayanimal.”在图灵的模型中，两种被他称作成形的学物质在一个空白区域相互作用。“假设你有两种成形素一会让动物的皮肤变黑一种会让动物的皮肤变白”温顿博士。“如果把它们混合在一起，动物的皮肤就会变成灰色somethingcausedonechemicaltodiffuse,orspread,thantheother,couldconcentrateinevenlylocalizedtogetherformingblackandwhitespotsorstripes.

但如果某种原因导致一种化学物质扩散得比另一种快就会集中在间隔均匀的局部区域，形成黑色和白色的斑点或条纹。Thisisknownasa“Turinginstability,and,theChineseresearcherswhopublishedthedeterminedthatitcouldexplainthewayshapesemergedinsalt-filteringmembranes.这被称作图灵不稳定性发表这篇新论文的中国研人员断定可以解释盐过滤膜中出现的结构。Bycreatingthree-dimensionalTuringpatternslikebubblestubesinmembranes,theresearcherstheirpermeability,creatingfiltersthatcouldbetterseparatefromwaterthantraditionalones.通过在膜上制造气泡和管道等三维图灵结构究人员增加了它们的渗透性种滤器能够比传统过滤器更好地分离盐和水。

“Wecanuseonemembranetofinishtheworkoftwothree,”saidZheTan,graduatestudentatZheijangUniversityin