阿蘭·麥席森·圖靈

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阿蘭·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）

　　阿蘭·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing，1912.6.23—1954.6.7），英國數學家、邏輯學家，他被視為電腦之父。 1931年圖靈進入劍橋大學國王學院，畢業後到美國普林斯頓大學攻讀博士學位，二戰爆發後回到劍橋，後曾協助軍方破解德國的著名密碼系統Enigma，幫助盟軍取得了二戰的勝利。

　　1936年，圖靈向倫敦權威的數學雜誌投了一篇論文，題為“論數字計算在決斷難題中的應用”。在這篇開創性的論文中，圖靈給“可計算性”下了一個嚴格的數學定義，並提出著名的“圖靈機”(Turing Machine)的設想。“圖靈機”不是一種具體的機器，而是一種思想模型，可製造一種十分簡單但運算能力極強的計算裝置，用來計算所有能想象得到的可計算函數。“圖靈機”與“馮·諾伊曼機”齊名，被永遠載入電腦的發展史中。1950年10月，圖靈又發表了另一篇題為“機器能思考嗎”的論文，成為劃時代之作。也正是這篇文章，為圖靈贏得了“人工智慧之父”的桂冠。

　　1912年6月23日，出生於英國倫敦。

　　1931年-1934年，在英國劍橋大學國王學院（King's College）學習。

　　1932年-1935年，主要研究量子力學、概率論和邏輯學。

　　1935年，年僅23歲的圖靈，被選為劍橋大學國王學院院士。

　　1936年，主要研究可計算理論，並提出“圖靈機”的構想。

　　1936年-1938年，主要在美國普林斯頓大學做博士研究，涉及邏輯學、代數和數論等領域。

　　1938-1939年，返回劍橋從事研究工作，並應邀加入英國政府破譯二戰德軍密碼的工作。

　　1940年-1942年，作為主要參與者和貢獻者之一，在破譯納粹德國通訊密碼的工作上成就傑出，併成功破譯了德軍U-潛艇密碼，為扭轉二戰盟軍的大西洋戰場戰局立下汗馬功勞。

　　1943年-1945年，擔任英美密碼破譯部門的總顧問。

　　1945年，應邀在英國國家物理實驗室從事電腦理論研究工作。

　　1946年，這個時候，圖靈在電腦和程式設計原始理論上的構思和成果，已經確定了他的理論開創者的地位。由於圖靈的傑出貢獻，年輕的他被英國皇室授予OBE爵士勛銜。

　　1947年-1948年，主要從事電腦程式理論的研究，並同時在神經網路和人工智慧領域做出開創性的理論研究。

　　1948年，應邀加入英國曼徹斯特大學從事研究工作，擔任曼徹斯特大學計算實驗室副主任。

　　1949年，成為世界上第一位把電腦實際用於數學研究的科學家。

　　1950年，發表論文“電腦器與智能”，為後來的人工智慧科學提供了開創性的構思。提出著名的“圖靈測試”理論。

　　1951年，從事生物的非線性理論研究。年僅39歲的圖林，被選為英國皇家學會會員。

　　1952年，在當年保守愚昧和冷戰的時代，當警察得知圖靈與同性朋友密切交往的消息之後，同性戀傾向的圖靈被逮捕入獄。在法庭審判過程中，圖靈明確告知人們，他認為自己沒有做錯什麼事。在那個觀念落後的年代，為了避免被判刑入獄，圖靈被迫選擇了為期一年的雌性激素註射的所謂“治療”，才得以重新返回研究工作。

　　1953年-1954年，繼續在生物和物理學等方面的研究。被迫承受的對同性戀傾向的“治療”，致使原本熱愛體育運動的圖靈在身心上受到極大的傷害。

　　1954年6月7日，圖靈被髮現死於家中的床上。死因是氰化物中毒，警方調查結論是自殺。一代英靈，就此過早離去，成為人類科學史上的一大遺憾。

　　◆故事從謎開始

　　英國現代電腦的起步是從德國的密碼電報機——Enigma(謎)開始的，而解開這個謎的不是別人，正是阿蘭·圖靈，一個在電腦界響噹噹的人物，可與美國的馮·諾依曼相媲美的電腦天才。在他短暫的生涯中，圖靈在量子力學、數理邏輯、生物學、化學方面都有深入的研究，在晚年還開創了一門新學科—— 非線性力學。

　　圖靈英年早逝。在他42年的人生歷程中，他的創造力是豐富多彩的，他是天才的數學家和電腦理論專家。24歲提出圖靈機理論，31歲參與 COLOSSUS的研製，33歲設想模擬系統，35歲提出自動程式設計概念，38歲設計“圖靈測驗”。這一朵朵靈感浪花無不閃耀著他在電腦發展史上的預見性。特別是在60年代後當然，圖靈最高的成就還是在電腦和人工智慧方面，他是這一領域開天闢地的大師。為表彰他的貢獻，專門設有一個一年一度的“圖靈獎”，頒發給最優秀的電腦科學家。這枚獎章就像“諾貝爾獎”一樣，為電腦界的獲獎者帶來至高無上的榮譽。而阿蘭·圖靈本人，更被人們推崇為人工智慧之父，在電腦業十倍速變化的歷史畫捲中永遠占有一席之地。他的驚世才華和盛年夭折，也給他的個人生活塗上了謎一樣的傳奇色彩。

　　◆神童圖靈

　　圖靈1912年6月23日出生於英國倫敦。其祖父曾獲得劍橋大學數學榮譽學位，但他父親的數學才能平平。因此，圖靈的家庭教育，對他以後在數學及電腦方面的成就並沒有多少幫助。小時候的圖靈生性活潑好動，很早就表現出對科學的探索精神。據他母親回憶，3歲時，小圖靈就進行了他的首次實驗，嘗試把一個玩具木頭人的小胳膊、小腿掰下來栽到花園裡，等待長出更多的木頭人。到了8歲，他更開始嘗試寫一部科學著作，題目為《關於一種顯微鏡》。在這部很短的書中，天才兒童圖靈拼錯了很多單詞，句法也有些問題，但寫得還能讓人看懂，很像那麼一回事兒。在書的開頭和結尾，他都用同一句話“首先你必須知道光是直的” 作前後呼應， 但中間的內容卻很短，短得破了科學著作的記錄。圖靈曾說：“我似乎總想從最普通的東西中弄出些名堂。”就連和小朋友們玩足球，他也能放棄當前鋒進球這樣出風頭的事，只喜歡在場外巡邊，因為這樣能有機會去計算球飛出邊界的角度。他的老師認為：“圖靈的頭腦思維可以像袋鼠一樣進行跳躍。”圖靈是個天才。他16歲就開始研究愛因斯坦的相對論。1931年，圖靈考入劍橋大學國王學院，開始他的數學生涯，研究量子力學、概率論和邏輯學。在校期間，圖靈還是現代語言哲學大師維特根斯坦班上最出色的學生。他對由劍橋大學的羅素和懷特海創立的數理邏輯很感興趣。數理邏輯的創建，主要源於古希臘克裡特島上有個叫愛皮梅尼特的“智者”，他說：“所有的克裡特島人都說謊”。我們可以把它簡化為：“我說的這句話是假話”。這就出現一種兩面都無法自圓的怪圈：如果他沒有說謊，那他這句話是錯的，他是在說謊；如果他真的在說謊，那他說自己在說謊是對的，所以他又沒有說謊。羅素和懷特海把它從邏輯、集合論以及數論中驅逐出去，最後又想盡辦法歸入《數學原理》之中。

　　圖靈一上大學，就迷上了《數學原理》。在1931年，著名的“哥德爾定理”出現後(該定理認為沒有一種公理系統可以導出數論中所有的真實命題，除非這種系統本身就有悖論)，天才的圖靈在數理邏輯大本營的劍橋大學提出一個設想：能否有這樣一臺機器，通過某種一般的機械步驟，能在原則上一個接一個地解決所有的數學問題。大學畢業後，圖靈去美國普林斯頓大學攻讀博士學位，還順手發明過一個解碼器。在那裡，他遇見了馮·諾依曼，後者對他的論文擊節贊賞，並隨後由此提出了“存儲程式”概念。圖靈學成後又回到他的母校任教。在短短的時間里，圖靈就發表了幾篇很有份量的數學論文，為他贏得了很大的聲譽。

　　◆怪才圖靈

　　在劍橋，圖靈可稱得上是一個怪才，一舉一動常常出人意料。他是個單身漢和長跑運動員。在他的同事和學生中間，這位衣著隨便、不打領帶的著名教授，不善言辭，有些木訥、害羞，常咬指甲，但他更多地以自己傑出的才智贏得了人們的敬意。圖靈每天騎自行車上班，因為患過敏性鼻炎，一遇到花粉，就會鼻涕不止，大打噴嚏。於是，他就常常在上班途中戴防毒面具，招搖過市，這早已成為劍橋的一大奇觀。圖靈的自行車經常半路掉鏈子，但他就是不肯去車鋪修理。每次騎車時，他總是嘴裡念念有詞，在心裡細細計算，這鏈條也怪，總是轉到一定的圈數就滑落了，而圖靈竟然能夠做到在鏈條下滑前一剎那停車，讓旁觀者佩服不已，以為圖靈在玩雜技。後來圖靈又居然在腳踏車旁裝了一個小巧的機械記數器，到圈數時就停，歇口氣換換腦子，再重新運動起來。

　　1936年，圖靈向倫敦權威的數學雜誌投了一篇論文，題為《論數字計算在決斷難題中的應用》。在這篇開創性的論文中，圖靈給“可計算性”下了一個嚴格的數學定義，並提出著名的“圖靈機”(Turing Machine)的設想。“圖靈機”不是一種具體的機器，而是一種思想模型，可製造一種十分簡單但運算能力極強的電腦裝置，用來計算所有能想像得到的可計算函數。裝置由一個控制器和一根假設兩端無界的工作帶(起存儲器的作用)組成。工作帶被劃分為大小相同的方格，每一格上可書寫一個給定字母表上的符號。控制器可以在帶上左右移動，它帶有一個讀寫出一個你期待的結果。外行人看了會墜入雲里霧裡，而內行人則稱它是“闡明現代電腦原理的開山之作”，並冠以“理想電腦”的名稱。這篇論文在紙上談了一把兵，創造出一個“圖靈機”來。但現代通用電腦確實是用相應的程式來完成任何設定好的任務。這一理論奠定了整個現代電腦的理論基礎。“圖靈機”更在電腦史上與“馮·諾依曼機”齊名，被永遠載入電腦的發展史中。

　　圖靈機理論不僅解決了純數學基礎理論問題，一個巨大的“意外”收穫則是，理論上證明瞭研製通用數字電腦的可行性。雖然早在100年前的1834年，巴貝奇(Chark Babbage，1792～1871)就設計製造了“分析機”以說明具體的數字計算，但他的失敗之處是沒能證明“必然可行”。圖靈機理論不僅證明瞭研製 “通用機”的可行性，而且比世界上第一臺由德國人朱斯(K·Zuze)於1941年製造的通用程式控制電腦Z-3整整早5年。這不得不使人驚嘆這一理論的深刻意義。

　　◆謎語圖靈

　　正當圖靈的理論研究工作進一步深入時，戰爭爆發了。他被派往佈雷契萊莊園承擔“超級機密”研究。當時的佈雷契萊莊園是一所“政府密碼學校”，即戰時的英國情報破譯中心。在這座幽靜的維多利亞式建築里，錶面上鳥語花香、人跡罕見，其實每天都有12000多名志願者在這裡夜以繼日地工作，截獲、整理、破譯德國的軍事情報，有些結果甚至直達丘吉爾首相本人手中。在這裡，圖靈被人們稱為“教授”，沒有人知道他的真名。當時德國有一個名為“Enigma”（謎）的通信密碼機，破譯高手們絞盡腦汁也難以破解。這個難題交到了圖靈手中，他率領著大約200多名精幹人員進行密碼分析，其中甚至還包括象棋冠軍亞歷山大。分析和計算工作非常複雜，26個字母在“Enigma”機中能替代8萬億個謎文字母。如果改動接線，變化會超過2.5千萬億億。最後多虧波蘭同行們提供了一臺真正的“Enigma”，圖靈才憑藉著他的天才設想設計出一種破譯機。這台機器主要由繼電器構成，還用了80個電子管，由光電閱讀器直接讀入密碼，每秒可讀字元2000個，運行起來咔嚓咔嚓直響。它被圖靈戲稱為“羅賓遜”，至今沒人能搞懂圖靈究竟如何指揮它工作。但"羅賓遜"的確神通廣大，在它的密報下，德國飛機一再落入圈套，死無葬身之地。

　　1945年，圖靈帶著大英帝國授予的榮譽勛章，來到英國國家物理研究所擔任高級研究員。兩年後，圖靈寫了一份內部報告，提出了"自動程式"的概念，但由於英國政府嚴密、死板的保密法令，這份報告一直不見天日。1969年，美國的瓦丁格(Woldingger)發表了同樣成果，英國才連忙亮出壓在箱底的寶貝，終於在1970年給圖靈的報告“解密”。圖靈的這份報告後來收入愛丁堡大學編的《機器智能》論文集中。由於有了佈雷契萊的經驗，圖靈提交了一份“自動電腦”的設計方案，領導一批優秀的電子工程師，著手製造一種名叫ACE的新型電腦。它大約用了800 個電子管，成本約為4萬英鎊。1950年，ACE電腦就橫空出世，開始公開露面，為感興趣的人們玩一些“小把戲”，贏得陣陣喝彩。圖靈在介紹ACE的記憶體裝置時說：“它可以很容易把一本書的10頁內容記住。”顯然，ACE是當時世界上最快、最強勁的電子電腦之一。

　　1946年，在紐曼博士的動議下，皇家學會成立電腦實驗室。紐曼博士是皇家學會會員，又是當年破譯小組的成員，正是他對“赫斯·魯賓遜”的製造起了關鍵作用。皇家學會的這一新實驗室不在倫敦，而是設在曼徹斯特大學，由紐曼博士牽頭負責。1946年7月，研製基金到位，紐曼博士開始招募人選。阿蘭·圖靈也在次年9月加盟電腦實驗室。一時間，曼徹斯特大學群英會萃。實驗室設在一幢維多利亞時代的老房子里，條件十分簡陋，但因圖靈他們的到來，也算是蓬蓽生輝了。在1948年6月，這裡造出了一臺小的模型機，大家都愛叫它“嬰兒”(Baby)。這台模型機用陰極射線管來解決存儲問題，能存儲32個字，每一字有 32位字長。這是第一臺能完全執行存儲程式的電子電腦的模型。

　　◆大師圖靈

　　到了1949年10月，各項改進工作都已展開，夾在兩層存儲器之間的自動控制系統已正常運轉，並能在程式的控制下，實現磁鼓和陰極射線管存儲單元間信息交互。圖靈設計出一些協同電路來做輸入和輸出的外設。有關電動打字設備也是圖靈通過老關係從他戰時供職的外交部通信部門弄過來的，其中甚至包括一個戰後從德國人那裡收繳來的穿孔紙帶鍵盤。這樣，整個模型機已大功告成。在整個試驗階段，大家忙上忙下。1949年底，模型機交付給曼徹斯特當地的一家叫弗蘭尼蒂(Ferranti)的電子公司，開始正式建造。1951年2月完工，通稱“邁可1型”。它有4000個電子管，72000個電阻器，2500個電容器，能在0.1秒內開平方根、求對數和三角函數的運算。比起先前的模型機，“邁可1型”功能更為齊全，靜電存儲器的記憶體容量已翻倍，能存256個40位字長字，分別存在8個陰極射線管中，而磁鼓的容量能擴容到16384個字，真是一項了不起的工程。

　　與馮·諾依曼同時代的富蘭克爾(Frankel，馮氏同事)在回憶中說：馮·諾依曼沒有說過"存儲程式"型電腦的概念是他的發明，卻不止一次地說過，圖靈是現代電腦設計思想的創始人。當有人將"電子電腦之父"的頭銜戴在馮·諾依曼頭上時，他謙遜地說，真正的電腦之父應該是圖靈。當然，馮·諾依曼問之無愧，而圖靈也有“人工智慧之父”的桂冠。他倆是電腦歷史浩瀚星空中相互映照的兩顆巨星。

　　早在1945年，圖靈就提出“模擬系統”的思想，並有一份詳細的報告，想建造一臺沒有固定指令系統的電腦。它能夠模擬其他不同指令系統的電腦的功能，但這份報告直到1972年才公佈。這說明圖靈在二戰結束後就開始了後來被稱 為“人工智慧”領域的探索，他開始關註人的神經網路和電腦計算之間的關聯。

　　1950年，圖靈又來到曼徹斯特大學任教，同時還擔任該大學自動電腦項目的負責人。就在這一年的十月，他又發表了另一篇題為《機器能思考嗎？》的論文，成為劃時代之作。也正是這篇文章，為圖靈贏得了一頂桂冠——“人工智慧之父”。在這篇論文里，圖靈第一次提出“機器思維”的概念。他逐條反駁了機器不能思維的論調，做出了肯定的回答。他還對智能問題從行為主義的角度給出了定義，由此提出一假想：即一個人在不接觸對方的情況下，通過一種特殊的方式，和對方進行一系列的問答，如果在相當長時間內，他無法根據這些問題判斷對方是人還是電腦，那麼，就可以認為這個電腦具有同人相當的智力，即這台電腦是能思維的。這就是著名的“圖靈測試”(Turing Testing)。當時全世界只有幾臺電腦，根本無法通過這一測試。但圖靈預言，在本世紀末，一定會有電腦通過“圖靈測試”。終於他的預言在IBM的“深藍”身上得到徹底實現。當然，卡斯帕羅夫和“深藍”之間不是猜謎式的泛泛而談，而是你輸我贏的彼此較量。

　　◆故事以謎結束

　　1951年，圖靈以他傑出的貢獻被當選為英國皇家學會會員。就在他事業步入輝煌之際，災難降臨了。1952年，圖靈遭到警方拘捕，原因是他是一個同性戀者。與其他一些智慧超群的人物一樣，圖靈在個人生活方式上也“與眾不同”。當時，人們對同性戀還沒有像現在這樣寬容，而是把這種行為當作一樁傷風敗俗的罪孽。事情的敗露是這樣的，當時有一位叫瓊·克拉克(Joan Clarke)的姑娘愛上了圖靈，圖靈也對對方很有好感，並向對方求婚，瓊欣然接受。但不久，圖靈自己退縮了，告訴瓊，他是同性戀者。在1948年，圖靈就由於同性戀傾向，離開了當時屬於高度保密的英國國家物理實驗室(NPL)。但也有人說，圖靈是被英國軍事情報部門“開除”出去的，對於這位天才的離去，許多人悵惜不已。

　　1952年3月31日，圖靈更因為和曼徹斯特當地一位青年有染，被警方逮捕。在法庭上，圖靈既不否認，也不為自己辨解。在莊嚴的法庭上，他鄭重其事地告訴人們：他的行為沒有錯，結果被判有罪。在入獄和治療兩者中間，圖靈選擇了註射激素，來治療所謂的“性欲倒錯”。此後圖靈開始研究生物學、化學，還和一位心理醫生有很深的交往。那時，他的脾氣已變得躁怒不安，性格更為陰沉怪僻。1953年3月，他因為接待過一位被英國警方註意的挪威客人，成為警方的目標，甚至去希臘度假時也被跟蹤。

　　1954年6月8日，圖靈42歲，正逢進入他生命中最輝煌的創造頂峰。一天早晨，女管家走進他的卧室，發現臺燈還亮著，床頭上還有個蘋果，只咬了一小半，圖靈沉睡在床上，一切都和往常一樣。但這一次，圖靈是永遠地睡著了，不會再醒來……經過解剖，法醫斷定是劇毒氰化物致死，那個蘋果是在氰化物溶液中浸泡過的。圖靈的母親則說他是在做化學實驗時，不小心沾上的，她的"艾倫"從小就有咬指甲的習慣。但外界的說法是服毒自殺，一代天才就這樣走完了人生。

　　“圖靈獎”是美國電腦協會（ACM，Association for Computer Machinery）於1966年設立的，專門獎勵那些對電腦科學研究與推動電腦技術發展有卓越貢獻的傑出科學家。設立的初衷是因為電腦技術的飛速發展，尤其到20世紀60年代，其已成為一個獨立的有影響的學科，信息產業亦逐步形成，但在這一產業中卻一直沒有一項類似“諾貝爾”、“普利策”等的獎項來促進該學科的進一步發展，為了彌補這一缺陷，於是“圖靈”獎便應運而生，它被公認為電腦界的“諾貝爾”獎。

　　圖靈獎是電腦界最負盛名的獎項，有“電腦界諾貝爾獎”之稱。圖靈獎對獲獎者的要求極高，評獎程式也極嚴，一般每年只獎勵一名電腦科學家，只有極少數年度有兩名以上在同一方向上做出貢獻的科學家同時獲獎。目前圖靈獎由英特爾公司贊助，獎金為100,000美元。

　　每年，美國電腦協會將要求提名人推薦本年度的圖靈獎候選人，並附加一份200到500字的文章，說明被提名者為什麼應獲此獎。任何人都可成為提名人。美國電腦協會將組成評選委員會對被提名者進行嚴格的評審，並最終確定當年的獲獎者。

　　截止至2005年，獲此殊榮的華人僅有一位，他是2000年圖靈獎得主姚期智。

　　1936年，阿蘭·圖靈提出了一種抽象的計算模型 ── 圖靈機 (Turing Machine)。圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程，他把這樣的過程看作下列兩種簡單的動作：

　　在紙上寫上或擦除某個符號；

　　把註意力從紙的一個位置移動到另一個位置；

　　而在每個階段，人要決定下一步的動作，依賴於 (a) 此人當前所關註的紙上某個位置的符號和(b) 此人當前思維的狀態。為了模擬人的這種運算過程，圖靈構造出一臺假想的機器，該機器由以下幾個部分組成：

　　一條無限長的紙帶。紙帶被劃分為一個接一個的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個特殊的符號 表示空白。紙帶上的格子從左到右依此被編號為 0, 1, 2, ... ，紙帶的右端可以無限伸展。

　　一個讀寫頭。該讀寫頭可以在紙帶上左右移動，它能讀出當前所指的格子上的符號，並能改變當前格子上的符號。

　　一個狀態寄存器。它用來保存圖靈機當前所處的狀態。圖靈機的所有可能狀態的數目是有限的，並且有一個特殊的狀態，稱為停機狀態。

　　一套控制規則。它根據當前機器所處的狀態以及當前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，並改變狀態寄存器的值，令機器進入一個新的狀態。

　　註意這個機器的每一部分都是有限的，但它有一個潛在的無限長的紙帶，因此這種機器只是一個理想的設備。圖靈認為這樣的一臺機器就能模擬人類所能進行的任何計算過程。