艾伦·图灵

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艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing,1912年6月23日-1954年6月7日),英国数学家、逻辑学家,是二十世纪对人类文明最有影响的科学家之一,被视为计算机科学之父

  艾伦·麦席森·图灵英语:Alan Mathison Turing,又译阿兰·图灵艾伦·麦昔森·涂林,Turing也常翻译成杜林,1912年6月23日-1954年6月7日),英国数学家、逻辑学家,是二十世纪对人类文明最有影响的科学家之一,被视为计算机科学之父

  1931年,图灵进入剑桥大学国王学院,毕业后到美国普林斯顿大学攻读博士学位,二战爆发后回到剑桥,后曾协助军方破解德国的著名密码系统Enigma,对盟军取得了二战的胜利有一定的帮助。

  从二十世纪后半开始,电子计算机对人类文明产生惊天动地的变革,一个信息时代的文明阶段已经正式展开。在电子计算器还没有制造出来的时候,图灵把计算器的原理与能力极限,都已经界定分析清楚。他的思想深深影响了计算机科学的发展轨迹,也成为人工智能研究的动力。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献,例如图灵曾写过一篇名为《机器会思考吗?》(Can Machines Think?)的论文,其中提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵测试。至今,每年都有试验的比赛。此外,图灵提出的著名的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

  图灵还是一位世界级的长跑运动员。他的马拉松最好成绩是2小时46分3秒,比1948年奥林匹克运动会金牌成绩慢11分钟。1948年的一次跨国赛跑比赛中,他跑赢了同年奥运会银牌得主汤姆·理查兹(Tom Richards)。

早年

  图灵1912年6月23日生于伦敦,他的父亲当时在英属印度任公务员,母亲出身于居住在印度的英国中上层家庭。1911年,图灵的母亲Ethel在印度的Chatrapur怀了孕。他们希望艾伦在英国出生,所以回到伦敦,住在帕丁顿(Paddington)。结果就在那里生下了艾伦。因此图灵在十四岁时父亲从印度退休返乡前,就一直和哥哥寄养在一些英国本土家庭。成长在这种比较缺乏亲情的环境里,对图灵的性格造成某些负面的影响。他有轻微的口吃,又难和别人打成一片,而且凡事自己料理,机乎有些离群索居的倾向。

  图灵在学校里的表现平平,他只喜欢课外做一些简单的化学实验。后来勉强挤进一所培养社会中坚份子的所谓“公共学校”(Public School),在十六岁时认识了学长克里斯多福‧牟康 (Christopher Morcom)。他深受牟康的吸引,也刺激他发展沟通与竞争的技能。但是在一九三○年二月牟康突然不幸过世,图灵非常受打击,有三年时间他写信给牟康的母亲,说他常常思考人的心灵,特别像牟康的心灵,如何能嵌入肉身?死后是不是能从物质中脱离开来?

  一九三一年图灵进入剑桥大学国王学院就读,次年他学习了冯诺曼 (J. von Neumann) 研究量子力学逻辑基础的新著,使他逐渐学会严格思维的求知方式。然而也就是在国王学院的环境里,他的同性恋倾向日渐明显,这对他日后的人生造成重大的影响。

判定可算

剑桥大学国王学院的电脑房现在以“图灵”为名

  1933年,图灵自习罗素 (B. Russell) 与怀特海 (A.N. Whitehead) 的巨作《数学原理》(Principia Mathematica),开始进军数理逻辑的领域。罗素与怀特海准备为数学的真理寻求一个严谨的基础,而逻辑正是他们想用来达成目标的利器。虽然他们作出开创性的贡献,但是逻辑的形式体系如何承载数学的真理,并没有得到满意的解决。出乎当时许多专家的预料,1931年刚出道的哥德尔 (K.Gödel) 彻底粉碎了罗素等人的美梦。他著名的“不完备定理”证明在任何无矛盾的形式数论系统里,一定找得到真命题,它自已以及它的否定命题,都无法依据系统里的推理法则,得到形式的证明。简单来说,就是任何无矛盾的逻辑系统,从本质上没有能力捕捉人类所能理解的全部数学真理。

  1935年,图灵由剑桥拓朴学家纽曼 (M.H.A. Newman) 的讲课中知道,虽然有哥德尔的出人意表结果,但是希尔伯特 (D. Hilbert) 所提的另一个相关问题却仍然没有解决。所谓“判定性 (decidability) 问题”(德文原名是 Entscheidungsproblem)是要问有没有明确的方法,至少在原则上能判定任何给定的命题,可否在初阶逻辑系统里得到证明。

  要回答这个问题,必须先清楚而具说服性地界定什么是“明确的方法”。图灵舍弃一般逻辑学家用各种推理系统规范方法的思路,采用了一种截然不同的途径,最终得以用否定的答案解决“判定性问题”。他在1936年4月告诉纽曼自己的结果,但得知美国著名逻辑学家丘池 (A. Church) 已经宣布解决了“判定性问题”,图灵不幸丧失了发现的优先权。图灵把他得到的结果写成《论可计算数及其在判定性问题上之应用》("On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem", 以下简称《可计算数》)一文,在该年5月送交《符号逻辑学报》(Journal of Symnbolic Logic),而在十一月号(其实是次年一月)正式刊登发表。

  图灵虽然没有得到第一名,但《可计算数》是一篇画时代的巨著,其内容的深刻以及对后世的影响,都超越与覆盖了丘池的成果。图灵在这篇论文中至少有三项极重要的创见:

  (一)发明与定义一种抽象的计算器;

  (二)证明万用计算器 (universal machine) 的存在性;

  (三)证明存在有任何计算器都不能解决的问题。

图灵机器

  图灵面对的首要问题是,有哪些可能的程序可用来计算一个数?他采取的途径是:

  (一)仔细分析我们的直观,从而定义出合适的计算器;

  (二)证明别人尝试过的方法和他的方法等价,但是他的方法更接近直观;

  (三)给出大量各式各样的数,证明它们在新的意义下是可以计算的。

  在分析直观方面,图灵解析一位计算者的状态,(他称为 computer 那时电子计算器尚未问世。)从中抽离出最本质的要素,然后模拟定义一个理论的计算器。这个机器能变换的状态是有限的,因为图灵认为计算者的心灵不应该有无 穷多状态,否则有些状态会任意接近,以致无法区分其间的差异。机器具备一条要多长就有多长的纸带,纸带画分成一个个小方格。另外有有限个符号,用以写在小 方格上来记录计算过程。机器在每一刻的动作,取决于当时机器的状态与所扫瞄的小方格上的符号。机器的基本动作包括:

  (一) 在小方格上写一个符号,如果原来已经有符号,就把那个符号遮掉;

  (二) 擦掉原来写在小方格上的符号;

  (三) 把纸带向左或向右移动一格。

图灵机器(Turing machine)

  图灵定义理论计算器的方法有相当大的弹性,如果采取一些变化并不会影响可以计算的范围,因此现在把这一类的理论计算器都称为图灵机器(Turing machine,下文简称图灵机)。乍看起来令人怀疑这么简单的计算工具能算多少东西?当然从如此原始的基础出发,要想计算日常使用的数学对象,必然会经过冗长的步骤。但图灵的重点不在要花多少精力,而在可不可能做到。最终图灵以极具说服力的论证让人相信,所有可计算的数都能用图灵机计算。

  在了解其计算器功能的过程中,图灵体会到定义一个计算器的方法也是机械性的,因此可以用符号记录下来。如此便能定义一个所谓的万用计算器,它可以模拟任何 其它图灵机的计算过程。万用计算器把想模拟的图灵机的定义符号当作输入吃进来,然后在想要计算的输入值上,一方面解读被仿真机器的指令,一方面依样画葫芦执行,最后得出同样的结果。万用图灵机赋予当代内储程序 (stored program) 电子计算器的理论基础,使得人类在机械发明史上,首次有可能利用软件的变化,大量扩充硬件的使用效率。

  当我们深刻体认出图灵机的威力时,我们会产生一个跟刚开始时态度相反的问题:还有什么是图灵机不可能计算的呢?当我们启动图灵机开始计算某个输入值时,最 怕的是它一直运作不停,老是给不出答案而抵达停机的最终状态。图灵机的定义方法,并不保证每次计算都会在有限时间内完成。于是我们很自然便想知道,有没有可能造一个特殊的图灵机,来判断任何图灵机一旦在任何输入值上开动,是否计算最后会停止。这就是所谓的“停机问题”(halting problem)。因为所有的图灵机可以有效地、机械化地逐一列队,图灵便得以使用对角线论证法 (diagonal argument) 证明不可能存在这种特殊的图灵机,也就是说“停机问题”是无解的,再从这里就可以继续推论出“判定性问题”也是无解的。

  图灵机的正面应用绝不局限在可计算数的范围,事实上,通过各种编码的程序,可以想象的任何机械化演算过程,似乎原则上都可以在图灵机上执行。因此有人主张一切可计算的均是图灵机可计算的,这也就是一般所谓的“丘池-图灵论点”(Church-Turing Thesis)。不过随着人类对高速及大量计算的经验累积,这个论点也有重新检讨的需求了。

  图灵机的定义,从“认识”的心理图像上来说,最接近直观的机械性运算特性。经过后人的继续开拓,引入计算复杂度的考虑,终于发现计算器理论内最核心也最困难的“P=NP?”问题。因此图灵的贡献超越其它的逻辑学家,成为计算器科学的始祖。

早期的计算机研究:图灵测试

  1945年到1948年,图灵在国家物理实验室,负责自动计算引擎(ACE)的工作 。1949年,他成为曼彻斯特大学计算机实验室的副主任,负责最早的真正的计算机---曼彻斯特一号的软件工作。在这段时间,他继续作一些比较抽象的研究,如“计算机械和智能”。图灵在对人工智能的研究中,提出了一个叫做图灵测试(Turing test)的实验,尝试定出一个决定机器是否有感觉的标准。

  1952年,图灵写了一个国际象棋程序。可是,当时没有一台计算机有足够的运算能力去执行这个程序,他就模仿计算机,每走一步要用半小时。他与一位同事下了一盘,结果程序输了。

  后来美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究群根据图灵的理论,在ENIAC上设计出世界上第一个电脑程序的象棋。

图案形成和数理生物学的研究

  从1952年直到去世,图灵一直在生物数学方面做研究。他在1952年发表了一篇论文《形态发生的化学基础》(英语:The Chemical Basis of Morphogenesis)。他主要的兴趣是斐波那契叶串行,存在于植物结构的斐波那契数。他应用了反应-扩散公式,现在已经成为图案形成范畴的核心。他后期的论文都没有发表,一直等到1992年《艾伦·图灵选集》出版,这些文章才见天日。[5]2012年,《自然》杂志称赞他是有史以来最具科学思想的人物之一。

破解密码

二战中帮助破解德国密码的数学家艾伦·图灵

  1936年9月,图灵渡海到美国普林斯顿大学读研究所,他在十二月时公开演讲他的计算理论,但是几乎没什么人来听讲。

  当《可计算数》刊出时,也没有引起大家的重视,只有两个人向他索取抽印本。到1938年6月图灵在丘池指导下获得了博士学位。因为图灵怀念剑桥大学的环 境,他辞谢了冯诺曼邀请他担任助理的机会,也拒绝了他父亲的建议,要他留在美国回避希特勒渡海攻击英伦的危险,他毅然决然地返回国王学院。图灵除了从理论上研究计算机外,他也喜欢动手操作机具。他在普林斯顿时,就曾尝试制作用续电器乘二进制数的密码机。回到英国后,图灵更秘密参加了政府破解密码部门的工作。

  1939年9月3日,英国正式对纳粹德国宣战,破解德国军事密码的任务愈发重要与迫切。特别是德国潜舰在大西洋上横行,而德国海军使用代号“谜语” (Enigma) 的密码系统号称不可破解,造成盟军非常大的威胁。最终图灵因为他在计算理论的经验,以及统计方法的巧妙运用,成功地破解了“谜语”系统。德国人在不知情的状况下,军事通讯彻底曝光,很快失去了大西洋的制海权。因为快速破解密码的需求,英国情报部门加强研制电子的计算器具。图灵不仅开始学习电子方面的技术,并且暗地里计划制造一台电子的万用图灵机,也就是真正的现在所谓的电子计算机。

  二次世界大战后,美国方面由于冯诺曼的积极推动,开始电子计算机的研制。英国受到这种发展的刺激。也在1946年以图灵的设计为基础,成立了“自动计算引擎”(Automatic Computing Engine,简称 ACE)计划。虽然图灵在计划里担任首席科学家,也开创了一些包括程序语言设计的新想法,但是他对工程方面毫无影响力,结果 ACE 计划完全泡汤。此时图灵当年的老师纽曼在曼彻斯特大学建立基地,并且从皇家学会谋得一笔巨款制造计算器。纽曼请了一位雷达工程师威廉斯 (F.C. Williams),帮他实现图灵式的内储程序计算器,而在1948年6月成功地让图灵的构想变成实物。

人工智能

  图灵担任计算器实验室的副主任,但是图灵没有实权。因为当时英国政府急于发展计算机,用在制造原子弹的任务上,所以威廉斯趁势打造自己的王国,把纽曼原来的方案凉在一边。而图灵大才小用,只能做些杂七杂八的事。不过在这一片混乱中,图灵于1950年发表了一篇思虑清晰的哲学论文:《计算器械与智能》(Computing Machinery and Intelligence),是人工智能研究上,一篇具历史性的文献。

  图灵讨论的问题是如何分析机器会不会思想,他采取的方法不是思辩性的分析,而是建议一种可操作的评判标准。他提出所谓的模仿游戏 (Imitation Game) 来分析计算器的思考水平,这个游戏的布局如下:在一个房间里安置一台计算器和一位助理,在另一个房间里有一位询问者。询问者分别与计算器及助理以通讯管道连接起来,并且利用键盘敲击出荧光幕上的文字交谈。

  询问者事先并不知道哪一个通话的对象是计算器,他用各种各样的问题查探二者的真实,游戏终结时询问者要决定哪一个是计算器。在游戏过程中,计算器尽量要让 询问者猜不出自己的真实身份,而助理的作用在协助询问者做出正确的判断。现在一般称呼这种类型的游戏为图灵测验 (Turing test),如果计算器能以高成功率瞒骗过询问者,我们就可以说计算器已有人脑思维的功能。

  图灵自己很乐观地认为在二十世纪末,计算器的功能已经强大到多数人不能否认它有思考能力。但是目前电子计算器的功能,虽然已经发挥到连图灵也不见得想象得 出的地步,然而定期在世界各地举行的图灵测验比赛,至今仍然无法让计算器展现接近人的思考能力。不过图灵的想法与信心不仅刺激了人工智能的研究,也使心理学产生变革,更间接催生了当代的认知科学。人脑到底是不是计算机,也成为研究人类心灵与意识上争论不休的问题。

天妒英才

  图灵在曼彻斯特安居下来,他开始对生物成长时形态的变化感觉兴趣。他认为化学反应与扩散的非线性方程式,会导致对称的起始形态,逐渐成长出不对称的复杂面貌。他似乎也是最先把计算机引入数学研究的人,他使用计算机的数值仿真,观察他所假设的化学反应。1951年他因为图灵机的贡献当选皇家学会院士,他同时发表了另一项高度原创性的论文《形态发生的化学基础》(The Chemical Basis of Morphogenesis)。这又是一篇超前时代太多的杰作,虽然当时并未引起什么注意,但是现在看来,它却是当今炙手可热的非线性动力学的开山工作之 一。

  因为图灵的同性恋倾向而遭到的迫害使得他的职业生涯尽毁。1952年,他的同性伴侣协同一名同谋一起闯进图灵的房子实施盗窃,图灵为此而报警。但是英国警方的调查结果使得他被控以“明显的猥亵和性颠倒行为”罪。他没有申辩,并被定罪。在著名的公审后,他被给予了两个选择:坐牢或女性荷尔蒙(雌激素)注射“疗法”(即化学阉割)。他最后选择了雌激素注射,并持续一年。在这段时间里,药物产生了包括乳房不断发育的副作用,也使原本热爱体育运动的图灵在身心上受到极大伤害。

  图灵本来还继续秘密地帮英国情报机构工作,但是冷战时期的严峻环境,使得同性恋者无法通过安全检查,图灵也因而被判出局。他那种不太符合一般社会规矩的行为模式,更是让安全单位放心不下。一九五四年六月八日,去他家里打扫的清洁工发现图灵已经长眠不醒,他的床边还留有咬了一半的苹果。虽然验尸结果说是服氰化物自杀,他母亲坚信图灵又在搞化学实验,不小心把残留手上的药物沾在苹果上吃进了肚子,现在更有人怀疑图灵说不定是冷战时期保密防谍的牺牲品。

  图灵一生的际遇并未与他的贡献成正比,哥德尔比他更孤僻,但是生前就获得显赫的名声,也不像他英年早逝。除了有皇家学会院士的头衔外,图灵没有在学术的权力核心逗留过,更没有交往多少学术权贵。虽然在逻辑与计算器科学的领域里,他死后较快获得肯定,美国计算机协会 (Association for Computing Machinery) 从1966年起设立图灵奖,做为对计算科学有贡献人士的最高奖项。但是直到1983年另一位同性恋的牛津数学家安德鲁.哈吉斯 (Andrew Hodges),替他写了一本脍炙人口的传记《谜样的图灵》(Alan Turing: The Enigma),英美大众才对他有较全貌的认识。以这本书为蓝图的舞台剧“破解密码”(Breaking the Code),于1986至1988年在英美两地上演,也相当轰动,深受人们喜爱。此外,英国 BBC 更于一九九六年把它拍成电影。

  1998年6月22日,英国下议院通过修改法条,使得十六岁以上同性或异性间的自愿性行为均属合法。第二天,图灵诞生的房子正式被指定为英国的历史遗产,哈吉斯在揭开纪念碑仪式的献词里,替图灵的人生作了一句最好的结语:“法律会杀人,但是精神赋予生命。”(the law kills but the spirit gives life.)

图灵奖

     “图灵奖”是美国计算机协会(ACM,Association for Computer Machinery)于1966年设立的,专门奖励那些对计算机科学研究与推动计算机技术发展有卓越贡献的杰出科学家。设立的初衷是因为计算机技术的飞速发展,尤其到20世纪60年代,其已成为一个独立的有影响的学科,信息产业亦逐步形成,但在这一产业中却一直没有一项类似“诺贝尔”、“普利策”等的奖项来促进该学科的进一步发展,为了弥补这一缺陷,于是“图灵”奖便应运而生,它被公认为计算机界的“诺贝尔”奖。

  图灵奖是计算机界最负盛名的奖项,有“计算机界诺贝尔奖”之称。图灵奖对获奖者的要求极高,评奖程序也极严,一般每年只奖励一名计算机科学家,只有极少数年度有两名以上在同一方向上做出贡献的科学家同时获奖。目前图灵奖由英特尔公司赞助,奖金为100,000美元。

  每年,美国计算机协会将要求提名人推荐本年度的图灵奖候选人,并附加一份200到500字的文章,说明被提名者为什么应获此奖。任何人都可成为提名人。美国计算机协会将组成评选委员会对被提名者进行严格的评审,并最终确定当年的获奖者。

  截止至2005年,获此殊荣的华人仅有一位,他是2000年图灵奖得主姚期智。

艾伦·图灵年谱

  1912年6月23日,出生于英国伦敦。

  1931年-1934年,在英国剑桥大学国王学院(King's College)学习。

  1932年-1935年,主要研究量子力学、概率论和逻辑学。

  1935年,年仅23岁的图灵,被选为剑桥大学国王学院院士。

  1936年,主要研究可计算理论,并提出“图灵机”的构想。

  1936年-1938年,主要在美国普林斯顿大学做博士研究,涉及逻辑学、代数和数论等领域。

  1938-1939年,返回剑桥从事研究工作,并应邀加入英国政府破译二战德军密码的工作。

  1940年-1942年,作为主要参与者和贡献者之一,在破译纳粹德国通讯密码的工作上成就杰出,并成功破译了德军U-潜艇密码,为扭转二战盟军的大西洋战场战局立下汗马功劳。

  1943年-1945年,担任英美密码破译部门的总顾问。

  1945年,应邀在英国国家物理实验室从事计算机理论研究工作。

  1946年,这个时候,图灵在计算机和程序设计原始理论上的构思和成果,已经确定了他的理论开创者的地位。由于图灵的杰出贡献,年轻的他被英国皇室授予OBE爵士勋衔。

  1947年-1948年,主要从事计算机程序理论的研究,并同时在神经网络和人工智能领域做出开创性的理论研究。

  1948年,应邀加入英国曼彻斯特大学从事研究工作,担任曼彻斯特大学计算实验室副主任。

  1949年,成为世界上第一位把计算机实际用于数学研究的科学家。

  1950年,发表论文“计算机器与智能”,为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。提出著名的“图灵测试”理论。

  1951年,从事生物的非线性理论研究。年仅39岁的图林,被选为英国皇家学会会员。

  1952年,在当年保守愚昧和冷战的时代,当警察得知图灵与同性朋友密切交往的消息之后,同性恋倾向的图灵被逮捕入狱。在法庭审判过程中,图灵明确告知人们,他认为自己没有做错什么事。在那个观念落后的年代,为了避免被判刑入狱,图灵被迫选择了为期一年的雌性激素注射的所谓“治疗”,才得以重新返回研究工作。

  1953年-1954年,继续在生物和物理学等方面的研究。被迫承受的对同性恋倾向的“治疗”,致使原本热爱体育运动的图灵在身心上受到极大的伤害。

  1954年6月7日,图灵被发现死于家中的床上。死因是氰化物中毒,警方调查结论是自杀。一代英灵,就此过早离去,成为人类科学史上的一大遗憾。

参考资料

  1. Andrew Hodges (1992), 《Alan Turing: The Enigma》, Vintage.

  2. Andrew Hodges (1999), 《Alan Turing: A Natural Philosopher》, Routledge.

  3. www.turing.org.uk

  4. 《计算器械与智能》:www.abelard.org/turpap/turpap.htm。

  5. John E. Hopcroft, Turing Machines, 《Scientific American》, May 1984, pp.70-80.

  6. www.plato.stanford.edu/entries/church-turing。

  7. John L. Casti (1998), 《The Cambridge Quintet: A Work of Scientific Speculation》, Perseus Press. 中文译本由新新闻文化公司出版,书名是《剑桥五重奏》。

  8. 李國偉《謎樣的計算機科學之父》:http://episte.math.ntu.edu.tw/articles/sm/sm_30_11_2/index.html