阿蘭·圖靈

姚東旭

短暫而耀眼的一生

阿蘭·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）是20世紀(jì)著名數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)科學(xué)之父”和“人工智能之父”。1912年6月23日，圖靈出生于英國倫敦，是這個(gè)來自印度的“帝國建造者”家庭的第二個(gè)兒子。這個(gè)家族最早可以追溯到14世紀(jì)的蘇格蘭，祖上曾經(jīng)被封為爵士，圖靈的祖父和父母都長期生活在印度。圖靈的父親是一名民政部的官員。

圖靈的一生首先是學(xué)者的一生，圖靈從小就天賦異稟，表現(xiàn)出出色的數(shù)學(xué)天賦。他的家庭教師回憶說，圖靈的數(shù)學(xué)天賦并不表現(xiàn)在方法和步驟的嚴(yán)密性上，而是體現(xiàn)在他“試圖在他構(gòu)建地基之前建造屋頂”。圖靈雖然在英氏的傳統(tǒng)教育中成長，但他在早年就表現(xiàn)出與學(xué)院科學(xué)迥異的興趣，他認(rèn)為自己更關(guān)注“自然中最一般性的”問題，這使得他始終為權(quán)威所不容。但他的才華卻難以被掩蓋，1931年，19歲的圖靈進(jìn)入劍橋大學(xué)國王學(xué)院，這時(shí)候的國王學(xué)院人才輩出，數(shù)學(xué)家哈迪（G. H. Hardy）、紐曼（Max M. H.Newman），哲學(xué)家伯納德·羅素（Bertrand Russell）和經(jīng)濟(jì)學(xué)家凱恩斯（Maynard Keynes）都位列其中，另外，由于納粹政權(quán)的迫害，許多意大利和德國知識分子逃離本土，來到英國尋求避難，劍橋大學(xué)和牛津大學(xué)此時(shí)容納了大量的才華橫溢的人才，這都為圖靈的成長提供了環(huán)境。圖靈的出類拔萃很快顯現(xiàn)出來，1935年，圖靈被選為國王學(xué)院的研究員（Fellow）。1年后，在他的第一篇重要論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用》中，圖靈提出了他最重要的突破。這篇論文給出了計(jì)算和計(jì)算所能達(dá)到的絕對限度的定義，這為現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。此后，圖靈前往普林斯頓師從丘奇繼續(xù)研究邏輯與數(shù)學(xué)問題，拿到博士學(xué)位。之后重返英國，從1939年起，直到戰(zhàn)爭結(jié)束，圖靈被任命為首席科學(xué)家在英軍總部工作，完全投入到了盟軍與德軍的密碼破譯戰(zhàn)之中，并做出了卓越貢獻(xiàn)。

作為圖靈與大哲學(xué)家維特根斯坦的一段交往被學(xué)界津津樂道。1939年，維特根斯坦在劍橋大學(xué)開設(shè)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，維特根斯坦認(rèn)為數(shù)學(xué)并不需要任何一種理論基礎(chǔ)，語言的使用規(guī)定了必然性的邏輯形式，但是圖靈認(rèn)為數(shù)學(xué)計(jì)算總是需要實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，因而更接近于經(jīng)驗(yàn)科學(xué)和工程學(xué)。圖靈報(bào)名參加維特根斯坦的課程，兩人在課堂上唇槍舌劍，誰也沒有說服誰。后來圖靈離開了維特根斯坦的課堂，兩位天才的交往不歡而散。

戰(zhàn)后，圖靈繼續(xù)從事數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究，他將戰(zhàn)時(shí)的密碼破譯學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和電子學(xué)知識結(jié)合起來，發(fā)明了第一臺現(xiàn)代意義上的電子計(jì)算機(jī)。由于受到美國計(jì)算機(jī)工程在戰(zhàn)后的巨大發(fā)展和英國對圖靈戰(zhàn)時(shí)工作保密政策的影響，大眾往往忽略了圖靈的貢獻(xiàn)。戰(zhàn)后的圖靈施展了他的長跑天分，作為馬拉松選手代表英國參加了1948年的奧林匹克運(yùn)動會。

無論是戰(zhàn)時(shí)密碼破譯工作，還是馬拉松長跑，乃至任何工業(yè)和商業(yè)，都不是圖靈的真正興趣所在，他的興趣始終在于基礎(chǔ)理論，即計(jì)算性的理論限度的問題，發(fā)明現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)只是圖靈主要工作的副產(chǎn)品。受到著名數(shù)學(xué)家哥德爾不完全定理的影響，圖靈在戰(zhàn)后主要討論的是人工智能問題，即計(jì)算機(jī)與人腦的比較研究，他試圖給出用機(jī)器模擬人類智能，乃至創(chuàng)造出人工智能的方案。1948年圖靈前往曼徹斯特大學(xué)，并于1950年發(fā)表另一篇著名論文《計(jì)算機(jī)器與智能》，由遞歸運(yùn)算的計(jì)算模型到機(jī)器學(xué)習(xí)的研究是圖靈這一時(shí)期工作的進(jìn)展。1951年圖靈被選為英國皇家學(xué)會的會員。生命的最后時(shí)期，圖靈一直在生物數(shù)學(xué)方面做研究。他發(fā)現(xiàn)了存在于植物結(jié)構(gòu)的斐波那契數(shù)，對后世影響甚大。

正當(dāng)事業(yè)巔峰的圖靈的生命卻因?yàn)橐馔怅┤欢埂?952年2月，圖靈因?yàn)榕c一名曼徹斯特年輕人發(fā)生同性關(guān)系而被捕，為了避免入獄，圖靈被迫接受雌性激素注射，來抑制他的性沖動，藥物的作用使得圖靈的身體發(fā)生了很多變化，這種被視為化學(xué)閹割的刑罰對圖靈來說是一種恥辱，也許正是這個(gè)原因，促使性格高傲而又孤僻的圖靈選擇了離開，1954年6月7日，圖靈在家中被發(fā)現(xiàn)死于氰化物中毒，年僅42歲，他咬了一顆沾滿了毒劑的蘋果，這個(gè)被咬了一口的蘋果，作為一個(gè)文化符號，始終被看做一位天才倏然離去的背影。

圖靈機(jī)與“停機(jī)問題”

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展受到數(shù)學(xué)物理學(xué)、量子力學(xué)和數(shù)理邏輯的發(fā)展影響。圖靈在1931年得知了哥德爾的邏輯系統(tǒng)的形式不完全證明，這一問題造成了希爾伯特稱之為“決定問題”的難題，這個(gè)問題在當(dāng)今人工智能研究中具有了普遍的意義，被稱為“停機(jī)問題”（Halting problem）。簡單地說，計(jì)算機(jī)的遞歸運(yùn)算缺乏一種方法，能夠幫助其決定一個(gè)運(yùn)算會一直進(jìn)行下去，還是會停下來。

在《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用》中，圖靈設(shè)計(jì)了一種理論上可能的機(jī)器，后人稱之為“圖靈機(jī)”，圖靈設(shè)想一種希爾伯特式形式主義的運(yùn)算機(jī)器，用一臺控制器、一個(gè)雙頭的電子打印機(jī)和一條無限長的紙帶做存儲器組成一個(gè)聯(lián)動序列，紙帶上可以輸入信息，也可以寫出運(yùn)算的結(jié)果，也可以存儲信息。在控制器層面包含一系列的程序，這些程序能夠?qū)垪l上輸入的信息進(jìn)行識別和處理，也就是說，它包含著輸入、處理和輸出的計(jì)算機(jī)功能。這種理論上的機(jī)器的目的在于說明機(jī)器可以代替人類進(jìn)行運(yùn)算。

圖靈機(jī)的運(yùn)行說明了可計(jì)算性的本質(zhì)，可計(jì)算的過程是那些可以被圖靈機(jī)所運(yùn)行的過程，即圖靈機(jī)控制器能夠根據(jù)其程序即“行為表”來處理的過程。圖靈的貢獻(xiàn)在于他闡明了一種一般性的計(jì)算性的概念，圖靈在美國與導(dǎo)師丘奇一起，將他的可計(jì)算性的概念發(fā)展為“圖靈—丘奇論題”。圖靈將圖靈機(jī)的概念用于解決停機(jī)問題，但是他最終說明的是停機(jī)問題是不可能解決的，因?yàn)樗婕傲藱C(jī)器的自我指示的可能性，假設(shè)有一臺可以測定運(yùn)算停止與否的機(jī)器存在，那么，將它應(yīng)用于自身確定運(yùn)算停止與否時(shí)，一方面運(yùn)算結(jié)果是清楚的，另一方面卻是不可計(jì)算的，因?yàn)檫@臺測定機(jī)器必須有超出任何一臺被測試的機(jī)器的運(yùn)算能力，而這恰恰不是一種運(yùn)算能力。

停機(jī)問題使得圖靈認(rèn)識到了可計(jì)算性的局限性，受到哥德爾不完全定理的影響，圖靈開始了他的不可計(jì)算性的研究，他認(rèn)為，計(jì)算機(jī)中存在不可計(jì)算的進(jìn)程，而能夠處理不可計(jì)算進(jìn)程的計(jì)算機(jī)比普通計(jì)算機(jī)能力更為強(qiáng)大，這些被稱之為“神使”（Oracle）的計(jì)算機(jī)不完全是機(jī)械的，“神使”引入了問題的相關(guān)性而非計(jì)算性的維度，改變了傳統(tǒng)數(shù)理邏輯運(yùn)算的法則，圖靈的不可計(jì)算性的概念不能等同于人類智能，它比人類智能要強(qiáng)大得多，因?yàn)樗摹爸庇X”結(jié)合著強(qiáng)大的計(jì)算能力。

但是戰(zhàn)爭的爆發(fā)使得圖靈不再有機(jī)會深入探究這一問題，“二戰(zhàn)”時(shí)的情報(bào)戰(zhàn)中，圖靈面對德國人發(fā)明的恩格瑪加密機(jī)器，采用計(jì)算機(jī)破解密碼，用機(jī)器來對抗機(jī)器，幫助盟軍取勝。

“二戰(zhàn)”后的圖靈：走向人工智能

“二戰(zhàn)”后的圖靈繼續(xù)自己的計(jì)算機(jī)理論的研究，這個(gè)時(shí)候，圖靈認(rèn)識到，“直覺”很難用計(jì)算機(jī)來模擬，也許“神使”是不可能做成的。務(wù)實(shí)的辦法是認(rèn)識到機(jī)器和人一樣，是可能犯錯(cuò)誤的，同時(shí)機(jī)器能夠用不同于人類智能的方式修正自己的錯(cuò)誤，通向人工智能的道路不是一片坦途，而是在錯(cuò)誤中不斷提高。

圖靈用計(jì)算機(jī)是否能夠玩象棋來說明這一點(diǎn)，計(jì)算機(jī)一開始是不會下象棋的，它可以按照規(guī)則進(jìn)行游戲，但是這無法阻止它走出一些愚蠢的棋，從而看起來完全不會下象棋，允許機(jī)器犯一些人類不會犯的錯(cuò)誤是可以的，實(shí)際上人類也經(jīng)常會犯各種錯(cuò)誤，但是機(jī)器可以運(yùn)用自己的計(jì)算優(yōu)勢不斷的學(xué)習(xí)，從而趨近于甚至超越于人類智能的水平。圖靈認(rèn)為智能的本質(zhì)在于其學(xué)習(xí)能力，而不在于其不會犯錯(cuò)。圖靈對機(jī)器計(jì)算性的研究轉(zhuǎn)向了對智能的本質(zhì)的研究，直至今日，人工智能面臨的最大問題是：完全沒有自由并且沒有心靈的機(jī)器是如何能夠展現(xiàn)出智能的？圖靈認(rèn)為人腦在經(jīng)過充分的研究后，能夠說明其也是一臺機(jī)器。神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動的有限性說明了這一點(diǎn)。圖靈認(rèn)為不可計(jì)算性是一個(gè)容易引起誤解的概念，很多時(shí)候只是因?yàn)槲覀儧]有恰當(dāng)?shù)慕M織運(yùn)算進(jìn)程而已。“二戰(zhàn)”后的圖靈認(rèn)為所有的心靈進(jìn)程都是可計(jì)算的，并且可以在機(jī)器中實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)40年代末期的圖靈越來越堅(jiān)定地認(rèn)可這一想法。他發(fā)明了一種測試機(jī)器智能是否具有人類智能的方法，用一堵墻將被測試機(jī)器與人隔開，人不知道墻對面的是機(jī)器還是人，由人與機(jī)器進(jìn)行對話，圖靈認(rèn)為，如果有超過30%的問答中，人不能確定墻后面的是人還是機(jī)器的話，那么機(jī)器就通過了測試，從而具有人類智能。這一測試后來被稱為著名的“圖靈測試”。

為了紀(jì)念圖靈對計(jì)算機(jī)科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會（ACM）于1966年設(shè)立一年一度的圖靈獎(jiǎng)，圖靈獎(jiǎng)被視為“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)”，以表彰在計(jì)算機(jī)科學(xué)中做出突出貢獻(xiàn)的人。1999年，圖靈被《時(shí)代》雜志評選為20世紀(jì)100個(gè)最重要的人物之一。2012年，《自然》雜志稱贊圖靈是有史以來最具科學(xué)思想的人物之一。2013年12月24日，英國女王向已經(jīng)去世多年的圖靈頒發(fā)了赦免書。英國司法大臣克里斯·格雷靈宣布，“圖靈的晚年生活因?yàn)槠渫匀∠蚨黄让缮狭艘粚雨幱?，我們認(rèn)為當(dāng)時(shí)的判決是不公的，這種歧視現(xiàn)象現(xiàn)在也已經(jīng)遭到了廢除。為此，女王決定為這位偉人送上赦免，以此向其致敬。”

圖靈短暫的一生散發(fā)出耀眼的光芒，圖靈將自己的一生獻(xiàn)給了科學(xué)，他對自己的生活和所處的時(shí)代未置一詞，他不從屬于任何政治派別或哲學(xué)派別，而他思想的原創(chuàng)性使得他更像一個(gè)謎。在學(xué)術(shù)界，人們認(rèn)為圖靈將多個(gè)看起來不相關(guān)的領(lǐng)域結(jié)合了起來，他將符號邏輯引入到實(shí)用數(shù)學(xué)中來，使得符號邏輯擁有了物理學(xué)的和工程學(xué)的含義，對科學(xué)和哲學(xué)做出了貢獻(xiàn)，他的一生充滿著各種各樣的多元的音符，生活中，他是一個(gè)靦腆、笨拙、孩子氣又缺乏交際能力的男人，同時(shí)又有著刻薄、冷漠、歇斯底里的個(gè)性，他是一個(gè)不被主流社會認(rèn)可的同性戀者，也是一個(gè)為人正直、有著精神潔癖的學(xué)者。圖靈在 “二戰(zhàn)”中對盟軍的密碼破譯和情報(bào)工作做出了杰出的貢獻(xiàn)，改變了大西洋戰(zhàn)局，同時(shí)，他對人類最重要的貢獻(xiàn)還在于人工智能學(xué)科的突破，他與大哲學(xué)家路德維?！ぞS特根斯坦在課堂上關(guān)于“機(jī)器是否能夠思維”的爭辯至今仍然是人工智能哲學(xué)界不可忽視的問題。圖靈的一生包含著許許多多的復(fù)調(diào)音符，圖靈和人類歷史上許許多多偉大的人物一樣，反對虛假，忠實(shí)于自我，把追求真理作為自己人生的使命。