讓GPT-4寫代碼，模擬物理複雜系統中的湧現_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！03-30 09:59
撰文 | 梁師翎
本文由作者引導ChatGPT-4生成。
引言
親愛的集智俱樂部的朋友們，你們好！今天我們將為大家帶來一個獨特的在線可交互物理系統模擬項目，這個項目通過GPT-4生成的HTML和JavaScript代碼，實現了一系列可視化的模擬，讓我們能夠更好地理解物理學、複雜系統以及湧現。
在這個項目中，我們將向大家展示一些精彩紛呈的模擬，包括XY模型、Vicsek魚羣模型、相分離以及粒子排斥等。這些模擬都採用了GPT-4生成的代碼，讓我們能夠直觀地探索物理世界，瞭解各種物理過程和湧現性現象。
此外，藉助GPT-4這個自然語言處理神器，編程變得更加簡單，讓更多的人能夠參與到項目開發中來。即使沒有界面開發經驗的人，也可以通過普通的語言命令GPT-4快速開發出這樣的項目。
集智俱樂部一直以來都致力於讓學術變得通俗易懂，讓科技為生活帶來改變。在這個項目中，我們將帶領大家瞭解如何利用GPT-4技術生成可交互物理系統模擬的代碼，讓大家感受物理學和複雜系統的魅力。讓我們一起開始這段探索之旅吧！
Vicsek鳥羣模型
【視頻請前往“返樸”觀看】https://shilingliang.com/web-simulator-by-GPT4/interactive_vicsek.html
Vicsek模型是一個充滿魅力的模型，它簡單易懂，但又能生動地展示複雜系統和湧現現象。這個模型是由物理學家Tamás Vicsek於1995年提出的，旨在模擬羣體行為中的自組織現象，例如鳥羣飛行、魚羣遊動等。
在Vicsek模型中，我們觀察到一羣粒子在二維空間內運動。每個粒子都有一個方向，它們會試圖與鄰近粒子保持一致的運動方向。而每個粒子又會受到噪聲的影響，這使得它們的方向在一定程度上發生隨機變化。通過調整噪聲的強度，我們可以觀察到不同程度的自組織現象。
當噪聲較小，也就是粒子們的運動方向不會受到太大的擾動時，我們會看到一種驚人的現象：粒子們會自發地形成一個有序的羣體，它們共同朝着一個大致相同的方向運動。這種自組織現象正是我們在現實世界中觀察到的鳥羣飛行、魚羣遊動等生物羣體行為的基本原理。
而當噪聲較大時，粒子們的運動方向會受到較大的隨機擾動，自組織現象就不那麼明顯了，甚至可能完全消失。這説明，自組織現象是需要在一定條件下才能發生的。
通過在線可交互物理系統模擬項目中的Vicsek模型，我們可以親身感受到自組織現象的神奇之處，瞭解到湧現現象如何在複雜系統中產生。無論你是科學愛好者，還是物理學初學者，都可以從這個模型中找到樂趣和啓發。
XY模型
【視頻請前往“返樸”觀看】https://shilingliang.com/web-simulator-by-GPT4/XY_model.html
XY模型源於凝聚態物理學，主要研究一個二維平面上的粒子系統。這些粒子可以想象成指南針，它們在平面上分佈，每個粒子都有一個方向。這個模型的核心在於粒子之間的相互作用：每個粒子會傾向於與鄰近粒子保持相同的方向。這種相互作用形成了一個有趣的平衡，粒子之間既要爭取保持一致，同時又要應對來自其他粒子的影響。
在XY模型中，我們可以觀察到一種迷人的湧現現象：當粒子之間的相互作用達到一定程度時，整個系統會自發地形成一個有序的態勢，粒子們共同指向一個大致相同的方向。這種有序狀態反映了系統內部的自組織行為，是複雜系統中的一種典型現象。
在XY模型中，還藴含着一個非常有趣且重要的物理現象——KT相變（Kosterlitz-Thouless相變）。KT相變是一種與眾不同的相變，它的發現為相變理論帶來了革命性的突破，甚至使得物理學家Kosterlitz和Thouless因此榮獲2016年諾貝爾物理學獎。
與我們所熟知的水變成冰或者水蒸氣的一、二級相變不同，KT相變是一種拓撲相變。這意味着它並不涉及物質的密度、磁性等通常的物理性質發生突變，而是涉及到系統內部的拓撲結構的變化。在XY模型中，這種拓撲結構表現為渦旋（vortex）和反渦旋（antivortex），它們可以被理解為局部的旋轉結構，具有不同的旋轉方向。
當温度較低時，渦旋和反渦旋會形成穩定的配對狀態，它們之間的相互吸引力使得系統呈現出有序態。然而，當温度升高到某個臨界點時，渦旋和反渦旋開始解離，系統的有序程度逐漸降低。這就是KT相變所描述的過程。
通過在線可交互物理系統模擬項目中的XY模型，我們可以直觀地觀察到KT相變的過程，瞭解這種獨特的拓撲相變是如何在複雜系統中發生的。這對於那些想要更深入瞭解相變現象、拓撲結構以及湧現性現象的科學愛好者來説，無疑是一個極具吸引力的學習途徑。
相分離與斑圖形成
【視頻請前往“返樸”觀看】https://shilingliang.com/web-simulator-by-GPT4/phase_separation.html
相分離是一個自然界廣泛存在的現象，指的是在一個混合系統中，不同類型的組分在一定條件下會自發地分離成單一成分的區域。這個過程在很多化學、物理和生物系統中都有涉及，如油水混合物、合金的冷卻和分離、細胞膜上的脂質分子分佈等。
與相分離密切相關的概念是斑圖形成（pattern formation），它描述了在一定條件下，空間結構的自組織現象。這種現象常常伴隨着局部的結構和有序性的出現。在相分離過程中，我們可以觀察到一系列複雜的模式形成現象，如泡狀結構、條紋狀結構等。這些模式可以被理解為系統在努力降低能量的過程中形成的穩定結構。
在線可交互物理系統模擬項目中的相分離模型，在這裏的模型中，我們使用一個簡化的二維粒子系統來模擬相分離現象。這個模型雖然簡化，但它能夠直觀地展示相分離過程中的基本機制，如同類吸引、異類排斥以及粒子間的隨機運動等。
物理可視化平台
https://shilingliang.com/web-simulator-by-GPT4
在這個由ChatGPT協助搭建的項目網站中，我們致力於為大家呈現一個充滿趣味性和教育意義的在線物理可視化平台。通過這個平台，用户可以親自嘗試與各種物理現象和複雜系統進行互動，以更直觀和生動的方式理解這些現象背後的原理。
項目網站包含了多個由GPT-4編寫的物理模擬實例，如Vicsek模型、XY模型以及相分離模型等。這些模型旨在幫助用户理解複雜系統的工作原理和湧現現象。此外，網站還提供了一系列鼠標互動模型，讓用户能夠在實時操作中感受到物理現象的魅力。
與GPT-4一起開發
在文章的結尾，我們來介紹一下這個項目是如何通過ChatGPT實現的。在實現相分離項目的過程中，我並沒有給它指定任何特定的模型。我提出了以下幾點需求：
通過HTML實現一個可視化相分離模型。在模型中添加排斥力以避免粒子聚集。處理好邊界條件。引入温度參數。將所有參數放入滑塊進行控制。
基於這些需求，ChatGPT生成了相應的HTML和JavaScript代碼，從而創建了一個可交互的物理模擬項目（從開始命令到生成能展示現象的可用模型進行了五六次對話，之後為了美化頁面和ChatGPT進行了更多細節需求的對話）。在這個過程中，GPT-4表現出了令人驚歎的能力，它能夠根據我的需求理解項目的核心目標，並生成相應的代碼來實現這些目標。然而，需要注意的是，ChatGPT輸出代碼的長度是有限制的。如果輸出中斷，你可以複製粘貼輸出代碼的末尾部分，並要求GPT繼續編寫，這樣就可以無縫地完成整個代碼編寫過程。
雖然我不懂JavaScript的語法細節，但在物理部分，我能通過檢查代碼看出來它具體的運算是怎麼實現的（當成一個偽代碼讀），也就可以檢查正確性。整體來説，正確性的檢查還是需要基於對代碼的一定經驗，但是開發者並不需要完全知道里面的語法細節。
而對於界面層級，其邏輯是所見即所得的，所以也能檢查。如果有錯，直接進行反饋，GPT-4有很強的自檢能力。
通過與ChatGPT的合作，我們成功地開發了一個既有趣又實用的在線可交互物理系統模擬項目。這個項目不僅讓我們直觀地理解複雜的物理現象，還展示了GPT-4在代碼生成和項目實現方面的巨大潛力。此外，藉助GPT-4的強大功能，我們在開發過程中節省了大量時間和精力，使得物理學家和初學者都能快速地開發出高質量的可視化和可交互項目。
總結來説，GPT-4目前不能取代人類的所有工作，但它能極大地簡化開發過程，同時讓新手做到之前完全無法完成的事情。在未來，我們期待着與GPT-4等人工智能技術的深度合作，共同探索更多創新性的應用和解決方案。
作者簡介
本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。
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