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世紀著名數學家、邏輯學家和計算機科學家，他被譽為“計算機科學之父”和“人工智能之父”。1912年6月23日，圖靈出生于英國倫敦，是這個來自印度的“帝國建造者”家庭的第二個兒子。這個家族最早可以追溯到14世紀的蘇格蘭，祖上曾經被封為爵士，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者的一生，圖靈從小就天賦異稟，表現出出色的數學天賦。他的家庭教師回憶說，圖靈的數學天賦并不表現在方法和步驟的嚴密性上，而是體現在他“試圖在他構建地基之前建造屋頂”。圖靈雖然在英氏的傳統教育中成長，但他在早年就表現出與學院科學迥異的興趣，他認為自己更關注“自然中最一般性的”問題，這使得他始終為權威所不容。但他的才華卻難以被掩蓋，1931年，19歲的圖靈進入劍橋大學國王學院，這時候的國王學院人才輩出，數學家哈迪（G. H. Hardy）、紐曼（Max M. H.Newman），哲學家伯納德·羅素（Bertrand Russell）和經濟學家凱恩斯（Maynard Keynes）都位列其中，另外，由于納粹政權的迫害，許多意大利和德國知識分子逃離本土，來到英國尋求避難，劍橋大學和牛津大學此時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境。圖靈的出類拔萃很快顯現出來，1935年，圖靈被選為國王學院的研究員（Fellow）。1年后，在他的第一篇重要論文《論可計算數及其在判定問題上的應用》中，圖靈提出了他最重要的突破。這篇論文給出了計算和計算所能達到的絕對限度的定義，這為現代的計算機科學和人工智能科學奠定了基礎。此后，圖靈前往普林斯頓師從丘奇繼續研究邏輯與數學問題，拿到博士學位。之后重返英國，從1939年起，直到戰爭結束，圖靈被任命為首席科學家在英軍總部工作，完全投入到了盟軍與德軍的密碼破譯戰之中，并做出了卓越貢獻。

作為圖靈與大哲學家維特根斯坦的一段交往被學界津津樂道。1939年，維特根斯坦在劍橋大學開設數學基礎課程，維特根斯坦認為數學并不需要任何一種理論基礎，語言的使用規定了必然性的邏輯形式，但是圖靈認為數學計算總是需要實驗的檢驗，因而更接近于經驗科學和工程學。圖靈報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。

戰后，圖靈繼續從事數學和計算機科學的研究，他將戰時的密碼破譯學的經驗和電子學知識結合起來，發明了第一臺現代意義上的電子計算機。由于受到美國計算機工程在戰后的巨大發展和英國對圖靈戰時工作保密政策的影響，大眾往往忽略了圖靈的貢獻。戰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年的奧林匹克運動會。

無論是戰時密碼破譯工作，還是馬拉松長跑，乃至任何工業和商業，都不是圖靈的真正興趣所在，他的興趣始終在于基礎理論，即計算性的理論限度的問題，發明現實計算機只是圖靈主要工作的副產品。受到著名數學家哥德爾不完全定理的影響，圖靈在戰后主要討論的是人工智能問題，即計算機與人腦的比較研究，他試圖給出用機器模擬人類智能，乃至創造出人工智能的方案。1948年圖靈前往曼徹斯特大學，并于1950年發表另一篇著名論文《計算機器與智能》，由遞歸運算的計算模型到機器學習的研究是圖靈這一時期工作的進展。1951年圖靈被選為英國皇家學會的會員。生命的最后時期，圖靈一直在生物數學方面做研究。他發現了存在于植物結構的斐波那契數，對后世影響甚大。

正當事業巔峰的圖靈的生命卻因為意外戛然而止。1952年2月，圖靈因為與一名曼徹斯特年輕人發生同性關系而被捕，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生了很多變化，這種被視為化學閹割的刑罰對圖靈來說是一種恥辱，也許正是這個原因，促使性格高傲而又孤僻的圖靈選擇了離開，1954年6月7日，圖靈在家中被發現死于氰化物中毒，年僅42歲，他咬了一顆沾滿了毒劑的蘋果，這個被咬了一口的蘋果，作為一個文化符號，始終被看做一位天才倏然離去的背影。

圖靈機與“停機問題”

計算機科學的發展受到數學物理學、量子力學和數理邏輯的發展影響。圖靈在1931年得知了哥德爾的邏輯系統的形式不完全證明，這一問題造成了希爾伯特稱之為“決定問題”的難題，這個問題在當今人工智能研究中具有了普遍的意義，被稱為“停機問題”（Halting problem）。簡單地說，計算機的遞歸運算缺乏一種方法，能夠幫助其決定一個運算會一直進行下去，還是會停下來。

在《論可計算數及其在判定問題上的應用》中，圖靈設計了一種理論上可能的機器，后人稱之為“圖靈機”，圖靈設想一種希爾伯特式形式主義的運算機器，用一臺控制器、一個雙頭的電子打印機和一條無限長的紙帶做存儲器組成一個聯動序列，紙帶上可以輸入信息，也可以寫出運算的結果，也可以存儲信息。在控制器層面包含一系列的程序，這些程序能夠對紙條上輸入的信息進行識別和處理，也就是說，它包含著輸入、處理和輸出的計算機功能。這種理論上的機器的目的在于說明機器可以代替人類進行運算。

圖靈機的運行說明了可計算性的本質，可計算的過程是那些可以被圖靈機所運行的過程，即圖靈機控制器能夠根據其程序即“行為表”來處理的過程。圖靈的貢獻在于他闡明了一種一般性的計算性的概念，圖靈在美國與導師丘奇一起，將他的可計算性的概念發展為“圖靈—丘奇論題”。圖靈將圖靈機的概念用于解決停機問題，但是他最終說明的是停機問題是不可能解決的，因為它涉及了機器的自我指示的可能性，假設有一臺可以測定運算停止與否的機器存在，那么，將它應用于自身確定運算停止與否時，一方面運算結果是清楚的，另一方面卻是不可計算的，因為這臺測定機器必須有超出任何一臺被測試的機器的運算能力，而這恰恰不是一種運算能力。

停機問題使得圖靈認識到了可計算性的局限性，受到哥德爾不完全定理的影響，圖靈開始了他的不可計算性的研究，他認為，計算機中存在不可計算的進程，而能夠處理不可計算進程的計算機比普通計算機能力更為強大，這些被稱之為“神使”（Oracle）的計算機不完全是機械的，“神使”引入了問題的相關性而非計算性的維度，改變了傳統數理邏輯運算的法則，圖靈的不可計算性的概念不能等同于人類智能，它比人類智能要強大得多，因為它的“直覺”結合著強大的計算能力。

但是戰爭的爆發使得圖靈不再有機會深入探究這一問題，“二戰”時的情報戰中，圖靈面對德國人發明的恩格瑪加密機器，采用計算機破解密碼，用機器來對抗機器，幫助盟軍取勝。

“二戰”后的圖靈：走向人工智能

“二戰”后的圖靈繼續自己的計算機理論的研究，這個時候，圖靈認識到，“直覺”很難用計算機來模擬，也許“神使”是不可能做成的。務實的辦法是認識到機器和人一樣，是可能犯錯誤的，同時機器能夠用不同于人類智能的方式修正自己的錯誤，通向人工智能的道路不是一片坦途，而是在錯誤中不斷提高。

圖靈用計算機是否能夠玩象棋來說明這一點，計算機一開始是不會下象棋的，它可以按照規則進行游戲，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，允許機器犯一些人類不會犯的錯誤是可以的，實際上人類也經常會犯各種錯誤，但是機器可以運用自己的計算優勢不斷的學習，從而趨近于甚至超越于人類智能的水平。圖靈認為智能的本質在于其學習能力，而不在于其不會犯錯。圖靈對機器計算性的研究轉向了對智能的本質的研究，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器是如何能夠展現出智能的？圖靈認為人腦在經過充分的研究后，能夠說明其也是一臺機器。神經系統運動的有限性說明了這一點。圖靈認為不可計算性是一個容易引起誤解的概念，很多時候只是因為我們沒有恰當的組織運算進程而已。“二戰”后的圖靈認為所有的心靈進程都是可計算的，并且可以在機器中實現。20世紀40年代末期的圖靈越來越堅定地認可這一想法。他發明了一種測試機器智能是否具有人類智能的方法，用一堵墻將被測試機器與人隔開，人不知道墻對面的是機器還是人，由人與機器進行對話，圖靈認為，如果有超過30%的問答中，人不能確定墻后面的是人還是機器的話，那么機器就通過了測試，從而具有人類智能。這一測試后來被稱為著名的“圖靈測試”。

為了紀念圖靈對計算機科學的巨大貢獻，美國計算機協會（ACM）于1966年設立一年一度的圖靈獎，圖靈獎被視為“計算機界的諾貝爾獎”，以表彰在計算機科學中做出突出貢獻的人。1999年，圖靈被《時代》雜志評選為20世紀100個最重要的人物之一。2012年，《自然》雜志稱贊圖靈是有史以來最具科學思想的人物之一。2013年12月24日，英國女王向已經去世多年的圖靈頒發了赦免書。英國司法大臣克里斯·格雷靈宣布，“圖靈的晚年生活因為其同性取向而被迫蒙上了一層陰影，我們認為當時的判決是不公的，這種歧視現象現在也已經遭到了廢除。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出耀眼的光芒，圖靈將自己的一生獻給了科學，他對自己的生活和所處的時代未置一詞，他不從屬于任何政治派別或哲學派別，而他思想的原創性使得他更像一個謎。在學術界，人們認為圖靈將多個看起來不相關的領域結合了起來，他將符號邏輯引入到實用數學中來，使得符號邏輯擁有了物理學的和工程學的含義，對科學和哲學做出了貢獻，他的一生充滿著各種各樣的多元的音符，生活中，他是一個靦腆、笨拙、孩子氣又缺乏交際能力的男人，同時又有著刻薄、冷漠、歇斯底里的個性，他是一個不被主流社會認可的同性戀者，也是一個為人正直、有著精神潔癖的學者。圖靈在 “二戰”中對盟軍的密碼破譯和情報工作做出了杰出的貢獻，改變了大西洋戰局，同時，他對人類最重要的貢獻還在于人工智能學科的突破，他與大哲學家路德維希·維特根斯坦在課堂上關于“機器是否能夠思維”的爭辯至今仍然是人工智能哲學界不可忽視的問題。圖靈的一生包含著許許多多的復調音符，圖靈和人類歷史上許許多多偉大的人物一樣，反對虛假，忠實于自我，把追求真理作為自己人生的使命。