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電腦科學理論之父──圖靈

科學人

更新於 2022年08月05日09:14 • 發布於 2022年08月19日02:00 • 林一平

他率先定義通用機器的概念,奠定了計算機領域的基礎。

在二次大戰期間,圖靈所帶領的小組在此破解德軍謎碼(Enigma code),如今已成為一座博物館的英國布萊切利莊園。(影像來源:Unsplash)

圖靈(Alan Mathison Turing,或譯涂林)是開創理論電腦科學的英國數學家,他在二次大戰時破解了德國U型潛艇的謎碼(Enigma code),確保盟軍對大西洋的控制。然而,圖靈的願景遠遠超出他在戰時的研究。1930年代,他率先定義通用機器(universal machine)的概念,奠定了計算機革命的基礎,並在1945年設計出電子計算機的原型。圖靈的真正目標是對心智的科學理解,呈現在著名的機器智慧「圖靈測試」(Turing test)。

圖靈相信可以發明一種機器,有能力計算任何可計算的序列。他在1936年提出的通用機器概念,後人稱之為「圖靈機」。這個概念能夠計算任何可計算的事物,如今一般視為現代計算機的雛型,引導出實用計算機的製造。何以在24歲就有如此驚天動地的想法?圖靈謙虛說:「有時,正是那些沒有人能想像到的人,做到了沒有人能想像到的事。」(Sometimes it is the people no one can imagine anything of who do the things no one can imagine.)他也很自豪說:「那些能想像任何事的人,可以創造不可能的事。」(Those who can imagine anything, can create the impossible.)

他曾在英國布萊切利莊園的戰時工作站研究,在密碼分析領域取得了五項重大進展,包括用於破譯德國謎碼的機電設備。他寫了兩篇關於密碼破譯數學方法的論文,成為密碼學和英國政府通信總部的重要資產。二次大戰後不久,圖靈因其研究工作而榮獲大英帝國勳章。

圖靈在1940年代中期移居倫敦,任職於英國國家物理實驗室。任職期間最引人注目的貢獻之一,是領導了自動計算機(automatic computing engine)Pilot ACE的設計,為商業化程式計算機建立了開創性的藍圖。雖然ACE的完整型式未能實現,但其概念廣受世界各地的科技公司採用。圖靈在1950年發表一篇重要論文〈計算機與智慧〉(Computing Machine and Intelligence),其中首次談論到人工智慧(AI),並提出圖靈測試,為電腦科學領域創建智慧設計的標竿。

圖靈測試指的是,如果一台計算機能夠欺騙人類,相信它是人類,那麼它就應該稱為智能計算機。(A computer would deserve to be called intelligent if it could deceive a human into believing that it was human.)這項測試明顯影響了AI相關的爭論。圖靈說,以下三段論述在日後恐怕會有一些人誤用:

圖靈相信機器會思考。

(Turing believes machines think.)

圖靈會對人說謊。

(Turing lies with men.)

因此機器不會思考。

(Therefore machines do not think.)

圖靈認為,如果人們期望一台機器萬無一失、不會出錯,那麼這台機器不可能具有智慧。(If a machine is expected to be infallible, it cannot also be intelligent.)而19世紀知名女性數學家洛夫萊斯(Ada Lovelace)指出,機器只能做我們告訴它能做的事。換言之,一個人可以把一個想法「注入」機器,它會做出反應,然後就停止,就像鋼琴弦被鎚子擊中一樣。但圖靈由另一個角度來做比喻,假設人們把一個想法注入機器,如同中子從外部注入原子堆。機器之所以只能做我們告訴它能做的事,是因為它是一個小於臨界值的原子堆,因此每個注入的中子會引起一定的擾動,最終擾動停止。然而,一旦原子堆的大小變得足夠大,中子所引起的這種擾動會引起連鎖反應,直到整個原子堆發生爆炸。

就人類思維而言,似乎也有連鎖反應這種現象。換言之,人類思維可能如同原子堆般處於「次臨界」(sub-critical)或「超臨界」(supercritical)狀態。向「次臨界」的人腦提出一個想法,他在回答中只產生一個想法。向「超臨界」的人腦提出一個想法,他會產生一個完整的「理論」,這理論是由連鎖反應的次級、第三級和更後續的想法所組成。如果圖靈的比喻成立,我們會問:一台機器可以製造成超臨界的AI嗎?聰明如圖靈者皆知,AI的出現是顯而易見的未來。他說:「我們只能看到前方的短距離,但可以看到那裡有很多需要做的事。」(We can only see a short distance ahead, but we can see plenty there that needs to be done.)而圖靈的「短距離」已是人類的大躍進。

圖靈預測:「在20世紀末,文字的使用和一般接受教育的觀點將發生巨大變化。屆時,人們將能夠談論機器思維,而不會被視為異端。」今日的AI廣受認同,完全應驗圖靈所說的話。圖靈認為,孤立的人不會發展出任何智慧。一個人必須在一生中的前20年,沉浸在其他人傳授經驗的環境中,學習並吸收他們的技術,然後自己有機會做一些研究,進而發現些許創見,再把這些發現傳承給其他人。從這個角度來看,新技術的探索必須經由整個人類社會來進行,而不是由個人獨力完成。即使是愛因斯坦,也要到26歲才爆發出成果。依此邏輯,一旦機器思維方法啟動,就能快速學習,很快就會超過人類微弱的力量??機器將能夠相互交談,逐漸增長智慧。因此,到達某個階段,機器將能夠控制整個社會運作。

1952年1月英國警察闖入圖靈家,抓到他與19歲的默里(Arnold Murray)發生性關係。他遭指控嚴重猥褻罪。被捕後,圖靈被迫接受激素治療,進行了一年注射合成雌激素的化學去勢。由於他被定罪,因此禁止他繼續從事政府單位的密碼學工作。圖靈於1954年6月7日因為氰化物中毒去世,裁定為自殺。2009年葛蘭姆康明(John Graham-Cumming)發起請願,要求英國政府承認當年對同性戀者的不當迫害。這一請願致使英國首相布朗(Gordon Brown)代表英國政府發表聲明,向圖靈道歉。

然而,許多人無法接受這位天才自殺的事實。2012年6月哲學教授科普蘭(Jack Copeland)認為圖靈的死亡可能是一場意外,因為在他死前最後幾天的日記中,並沒有任何內容顯示有自殺傾向,他的房子有氰化物,主要用於在家中進行的化學實驗。2013年,英國女王伊莉莎白二世在圖靈自殺近60年後,罕見對他進行皇家赦免。2017年,英國政府宣佈了「圖靈法」,追授赦免數千名因同性戀行為被定罪的男性。

1999年,《時代》雜誌把圖靈選為20世紀100位最重要的人物之一,並評論:「事實證明,每個敲擊鍵盤、打開電子表格,或以程式處理文字的過程,都相當於圖靈機的運作。」在2002年英國廣播公司(BBC)「100位最偉大的英國人」民意調查中,圖靈排名第21位。總而言之,圖靈因自身對電腦科學的影響而受到認可,一般認為他是該領域的創始人。圖靈86歲冥誕時,傳記作家霍奇斯(Andrew Hodges)在圖靈童年的家中揭開了一塊英國官方紀念的藍色牌匾。圖靈的青銅雕像於2004年10月28日在薩里大學揭幕,以紀念他去世50週年。2007年6月,一尊真人大小的圖靈雕像在布萊切利莊園揭幕(見最本文首圖)。此外,《普林斯頓大學校友週刊》評選圖靈為該校歷史上第二重要的校友。2019年7月,英格蘭銀行把圖靈及其作品圖片印製在50英鎊鈔票上,是從公眾提名的近1000位候選名單(包括理論物理學家霍金和洛夫萊斯)中票選出來。

更早於1966年,電腦科學界就已推崇圖靈的貢獻,將之視為諾貝爾。成立於1947年的計算機協會(ACM)創立了年度頒發的圖靈獎,表彰對電腦科學領域做出貢獻的科學家。圖靈獎則視為電腦科學領域的諾貝爾獎,本專欄將陸續介紹歷屆得主及他們的貢獻。

本專欄感謝中華民國資訊軟體協會支持

【欲閱讀更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2022年第246期08月號】

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