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超级合作者 有生命的地方，就会有各种各样的群体组织。细菌附着在物体表面生长，形成生物膜；黏液菌聚集繁殖，形成类似墨西哥草帽的三维形状；野牛习惯于成群出没；蚂蚁整个群落共同行动；猿类喜欢结队而行；熊、乌鸦、鲸鱼和鹅，它们也都有自己的集体。当然，人类也有组织结构。我们有大大小小的村庄、乡镇和城市，我们在工厂、学校、剧院和酒吧相聚；人们还建立了不同类型、不同规模的团队和群体。
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在刚开始研究如何利用互惠行为来破解囚徒困境时，我曾经特别想知道，能不能从人口结构中找出解决囚徒困境问题的新方法。请别忘了，前两章的计算都是基于这样一个简单的假设：困境中的各方都处于均匀混合的人口环境中，每一方与其他任何一方相遇的机会都是均等的。在这种均匀的人口分布中，我们发现，背叛者总是能胜过合作者。但我们又必须承认，现实中的所有人口环境都存在一定的结构。那么，这个现实情况有何意义呢？人口结构是否会影响到简单囚徒困境的最终结果呢？是否存在某种人口结构，使得合作者可以完胜背叛者呢？
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人们之所以决定以聚居的方式生活在一起，而不是随机分散在各处，目的就是为了合作。那么，事情是如何发生的呢？例如，有一种观点认为，农业种植的成功为人类社区的出现奠定了基础，耕种产生的剩余食物为人们的定居叠分工合作提供了条件，部落中开始有了屠夫、烘焙师和蜡烛制造师。而另一种观点则将人类的聚居与古代信仰和宗教相挂钩。比如，位于土耳其的哥贝克利山丘（Göbekli Tepe，意为“大肚山”）就是一处有将近11 000年历史的圣所，采猎者在那里竖立了雕刻过的石灰岩石柱。这一重大发现说明，圣殿和神庙等宗教场所为之后的城市创建埋下了种子。
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也许，城市起源于人类为谋求生存而进行的抗争。斯图尔特·布兰德（Stewart Brand）在其著作《地球的法则》（Whole Earth Discipline）中提出，与城市有关的最早的发明就是防御墙。之后又有了四方形的建筑，可以有效地将人们庇护在墙内。剑桥大学考古学家科林·伦弗鲁（Colin Renfrew）认为，现代思维方式的产生促进了聚居生存模式的形式。也就是说，在新型智慧头脑的帮助下，我们的祖先可以实现更稳定的分工合作。不过，通过计算机模拟我发现，其实不需要任何脑力帮助，人们也可以形成聚居形态并从中获益。
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“上帝游戏”的启示
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生命与其地理分布之间的联系可以用所谓的“空间自动机”来体现，而对这一领域的探寻，可以追溯到伟大的约翰·冯·诺依曼的一项研究。他认为，我们可以用信息处理系统来类比生物有机体。他无疑是正确的，如今，人们在实验室中可以像编写计算机程序一样，编写并合成生物体的遗传代码。冯·诺依曼发现，试验繁殖（如试管中的水晶生长）与生物体的智能繁殖相比，差异很大，他对此困惑不已。为了解开心中的疑团，他希望能设计出一款高度复杂的、具备自我复制能力的机器。
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抱着这样的愿望，他设计出了“自我复制自动机”（self-reproducing automaton）。这个机器人“漂浮”于自身大量组件的“海洋”之上，就如同地球上的生物体一样，在构成生命的化学元素的簇拥之下繁衍生息。英国数学家阿兰·图灵（Alan Turing）以“通用图灵机”（Universal Turing Machine）的思想为计算机的发明奠定了逻辑基础，同时也给出了一个用来探索数学理论极限的绝妙的抽象设备，而冯·诺依曼则借鉴了图灵的研究成果。
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冯·诺依曼向人们证明，还存在着一个通用自动机，可以对物质的通用组装进行抽象模拟。自动机内部的逻辑错误可以理解为“突变”，这样更加复杂的自动机变种就有可能出现。在资源有限的环境中，选择的压力——适者生存原则，会带来达尔文式的进化。但在数学上，还没有一种严密的方法可以对这一理论进行分析，更无法构建并模拟这一进化过程。
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数学家斯塔尼斯拉夫·乌拉姆（Stanislaw Ulam）向冯·诺依曼建议，可以用他的方法对自我复制自动机进行简化。他的方法是，将冯·诺依曼的“机器”用纯逻辑的方式构建出来。乌拉姆提议用他命名的“铺砌机器人”（Tessellation Robots）来替代浮动的自动机。这个古怪的词汇其实指代着水晶的生长，因为水晶的生长过程就是靠单元模块“铺砌”完成的。现在，人们将乌拉姆的铺砌机器人称为“细胞自动机”（cellular automaton）。自动机由抽象的细胞阵列构成，它们有统一的进化规则。这些细胞如同棋盘上的一个个方格，统一进行计算，可以被认为是一类依据纯逻辑运转的有机体，但实际上，此处讨论的细胞与现实世界中的细胞并没有什么真正的联系。
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阵列中的每个细胞在某一给定时刻都有其具体的“状态”。这种状态可能是某种颜色，如红色、绿色或蓝色等，可能是一个数值，也可能是“开”、“关”两种状态中的一种。对于自动机而言，时间不是连续的，而是离散的。因此，时钟每“滴答”一下，自动机就会向前发展一步，阵列中的细胞就会依据简单的规则，从一个瞬间到下一个瞬间改变状态。而规则的制定不仅仅要参考细胞自身的状态，还要参考周边细胞的状态。据此，可以预先设定一份对照表，从而决定细胞下一步的状态。因此，黑白自动机的规则就可能是：如果所有相邻的方格都是黑色，那么中心方格就是白色。这种安排看似简单，但乌拉姆的细胞系统却能够模拟出冯·诺依曼最初设想的自动机所要模拟的任何东西。
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冯·诺依曼去世之后，细胞自动机的研究任务由后辈担了起来，密歇根大学心理学教授兼电子工程与计算机科学教授约翰·霍兰德（John Holland）就是杰出的一位。1960年，霍兰德初步设计出了一款与细胞自动机相关的“迭代电路计算机”（iterative circuit computer），它能够模仿生物遗传的进程。虽然名字听起来索然无味，但这一研究却激发了公众的想象。有报刊评论说，“他就是那个教会计算机做爱的人。”这种看待生命逻辑的观点逐渐站稳了脚跟，并影响到其他实验室研究人员的思想。其中最著名的一位，就是英国数学家约翰·康威（John Conway）。
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20世纪60年代末期，康威“占领”剑桥大学数学系长达几个月的时间，以寻找一个可以进行自我复制的假想机器。各种扑克牌、外国硬币、贝壳等手头的小物件，都被他用来代表“有生命的”方格，按规则摆出各种图形。每次茶歇时，康威就会开始执行规则，这些小物件也从一张小桌开始，渐渐摆满了公共休息室的地面。而在那时，康威就已开始利用计算机对寿命超长的种群进行研究。
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1970年，他将研究成果“生命游戏”（Games of Life）公诸于众。在有些游戏规则之下，图形迅速增长，没有极限；而在另一些规则之下，图形很快便消失了。因此，康威为他的自动机精心选定了规则，在这两个极端之间找到了微妙的平衡。通过几种规则的结合，就可以创造出包罗万象的图形，有些不断扩张，有些改变形态，有些则出其不意地消失殆尽。而“生命游戏”这一令人回味的命名，恰恰反映出了康威对它深深的痴迷和兴趣。
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因为玩家还可以把宇宙玩具放在手中摆弄，于是有些人也称之为“上帝的游戏”。参与到这场游戏中很容易，不需要见证任何奇迹，不用遵循任何宗教戒律，也不必阅读什么神圣的经典。只要想象有一张棋盘，其中几格放有棋子，然后遵循如下这些简单的规则。如果一个“空格”（无棋子的格称为“空格”）恰好有三个相邻“满格”（有棋子的格称为“满格”）——相邻包括对角线及前后左右的方向，这一“空格”就在相邻“满格”的帮助下“活过来”。如果一个格子有两个相邻“满格”，就维持原状。最后，如果一个“满格”有任意其他数量[1]的相邻“满格”，就会失去其中的棋子而变成空格。换用更加人性化的方式来表达这一规则就是：由于极度渴望友邻的爱，追求相互合作而不得，这个棋盘格将孤独或拥挤致死。
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康威还提出了一个假想：最初以有限个体数量形式存在的群体，不可能发展到无限个体数量形式。他愿为首位证实或证伪这一假想的个人或组织提供50美元奖金。1970年11月，这笔奖金颁给了麻省理工学院人工智能项目组的一个团队。这个团队发现了“滑翔机枪”（glider gun）模式，这一模式的行为就像一把枪，每隔30步的计时会自动射出一个由5颗棋子组成的“滑翔机”形状，滑翔机还会自行在棋盘上移动。因为每次射出滑翔机都增加5颗棋子，所以整个群体中的个体数量会无限增长。相互交错的滑翔机可以带来奇妙的效果，产生奇怪的图形，进而激发出更多的滑翔机。有时，冲撞会不断延展，直到吞噬掉所有的滑翔机枪。而在另一些情况下，大规模的冲撞会通过“回击”的方式毁掉滑翔机枪。
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由生命游戏产生的图形十分复杂。事实上，我们可以证明，只要有一个足够大的棋盘，细胞自动机就等价于通用图灵机。因此从理论上说，生命游戏具有可与任何计算机相媲美的强大能力。不难想象，细胞自动机将成为一种研究自然界中各种模式和结构的强大工具。16岁就发表了第一篇论文、17岁即入读牛津大学的著名科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram），也是流行的Mathematica软件以及新型搜索引擎Wolfram Alpha的发明者。他在其著作《一种新科学》（A New Kind of Science）中为这一思想注入了全新的意义。他认为，存在于生命、宇宙以及任何事物中的复杂性与随机性，都是细胞自动机的成果。世间万物都可以被视为一场空间博弈。
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简单规则就可实现空间合作
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大约是20世纪90年代初期，当我还在牛津大学的时候就开始思考：我的研究课题可以利用“空间”作出什么样的文章。那个时候，我设计的计算机博弈中的所有玩家都游荡于均匀混合的群体之中，玩家之间随机相遇。但许多生命起源理论都认为，生命最初都是从空间上某个精确的点开始的。在那里，无机化学无意间跨过了从死到生的临界点，创造出有机化学。