图灵与图灵机

图灵与图灵机

不少人梦寐以求的国际计算机的最高奖项——图灵奖，为何它如此幸运，真是说来话长。

阿兰·图灵（Alan Turing），1912年6月23日出生于英国伦敦，他被认为成二十世纪最著名的数学家之一，谁也没有想到他的名字会和计算机产业挂钩。

20世纪的数学界正在热烈的讨论本世纪最伟大的科学发现之一——昆特·哥德尔的不完全性定理，在那以前，数学家们总认为，一个数学问题虽然要找到答案也许会很困难，但理论上总有一个确定的答案，一个数学命题，要么是真的，要么是假的。而哥德尔的不完全定理指出：在一个稍微复杂一点的数学公理系统中，总存在那样的命题，我们既不能证明它是真的，也不能证明它是假的。数学家们大吃一惊，发现以往大家认为绝对严密的数学中，原来有令人如此不安的不确定性。每个逻辑学家都在苦苦思索，试图为陷入了危机的数学找到一条出路，这些逻辑学家包括当时在剑桥的贝特朗·罗素( Bertrand Russell ) 、阿尔弗雷德·怀特海（Alfred Whitehead）、路德维格·维特斯根坦( Ludwig Wittgenstein) 等著名的逻辑学家。这时的图灵正在剑桥求学，他也同样为此问题陷入了困境。

1936年，图灵作出了他一生最重要的科学贡献，他在其著名的论文《论可计算数在判定问题中的应用（On Computer numbers with an Application to the Entscheidungs -problem）》一文中，以布尔代数为基础，将逻辑中的任意命题（即可用数学符号）用一种通用的机器来表示和完成，并能按照一定的规则推导出结论。这篇论文被誉为现代计算机原理开山之作,它描述了一种假想的可实现通用计算的机器，后人称之为“图灵机”。

图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：

在纸上写上或擦除某个符号；

把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；

而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于(a)此人当前所关注的纸上某个位置的符号和(b)此人当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：

（1）一条无限长的纸带。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为0，1，2，……，纸带的右端可以无限伸展。

（2）一个读写头。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。

（3）一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。

（4）一套控制规则。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。

注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。

1945年，图灵被调往英国国家物理研究所工作。他结合自己多年的理论研究和战时制造密码破译机的经验，起草了一份关于研制自动计算机器（ACE：Automatic Computer Engine ）的报告，以期实现他曾提出的通用计算机的设计思想。通过长期研究和深入思考，图灵预言，总有一天计算机可通过编程获得能与人类竞争的智能。1950年10月，图灵发表了题为《机器能思考吗？》的论文，在计算机科学界引起巨大震撼，为人工智能学的创立奠定了基础。同年，图灵花费4万英镑，用了约800个电子管的ACE样机研制成功，它的存储容量比爱尼亚克大了许多。在公开演示会上，被认为是当时世界上速度最快、功能最强的计算机之一。图灵还设计了著名的“模仿游戏试验”，后人称之为“图灵测试”。该实验把被提问的一个人和一台计算机分别隔离在两间屋子，让提问者用人和计算机都能接受的方式来进行问答测试。如果提问者分不清回答者是人还是机器，那就证明计算机已具备人的智能（1993年美国波士顿计算机博物馆举行的著名的“图灵测试”充分验证了图灵的预言）。

这让我想起前几年IBM公司研制的计算机“深蓝”与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫进行的那场人机大战，最终以“深蓝”战胜卡斯帕罗夫而宣告结束，让我们不得不佩服图灵的天才预言。

现代计算机之父冯·诺依曼生前曾多次谦虚地说：如果不考虑巴贝奇等人早先提出的有关思想，现代计算机的概念当属于阿兰·图灵。冯·诺依曼能把“计算机之父”的桂冠戴在比自己小10岁的图灵头上，足见图灵对计算机科学影响之巨大。

毒液浸透苹果，如睡之死渗入……

身为一名数学家, 图灵模型研制计算机的梦想在第二次世界大战的爆发中粉碎。当时，德国法西斯正对英伦三岛狂轰滥炸，图灵的祖国危在旦夕,怀着一腔报国热情，图灵前往英国外交部承担“超级机密”研究工作，即主持对德军通讯密码的破译工作。图灵便和历史

上著名的布莱奇利公园以及加密电子机械装置ENIGMA联系在了一起。

ENIGMA是德国发明家亚瑟.谢尔比乌斯（Arthur Scherbius）发明的一种加密电子器,它被证明是有史以来最可靠的加密系统之一，二战期间它开始被德军大量用于铁路、企业当中。英国第40局（英国政府负责破译密码的间谍机构）开始恐慌，因为出现了大量他们无法破译的电文。在整整13年里，英国人和法国人都认为ENIGMA是不可破译的。针对这一情况，40局新设了它的机构——英国政府代码及加密学校（GC&CS ,Government Code and Cipher School），总部坐落在白金汉郡的布莱奇利公园。在布莱奇利公园有一大批为破译ENIGMA作出卓越贡献的人们，图灵无疑是他们当中最值得叙述的一个。图灵发明了绰号为“炸弹”（Bombes）的解密机器，他被看成一位天才解密分析专家。战争结束，布莱奇利公园被关闭，“炸弹”被拆毁，所有战时有关密码分析和破译的档案资料都被销毁，直到1967年波兰出版第一本关于波兰破译ENIGMA方面的书，以及1974年温特伯坦姆写的《超级机密The Ultra Secret》一书出版，人们才知道图灵在分析解密方面的贡献。

1938年迪斯尼公司著名的动画片《白雪公主和七个小矮人》上映，图灵也观看了这部影片，在后来的日子里，他的同事常常听见他哼电影中巫婆王后泡制毒苹果的台词：“毒液浸透苹果如睡之死渗入……”而图灵的一生正是在这首歌词中结束。

图灵在他生命的最后时光，没有机会看到自己被当作一个解密英雄来尊敬，相反，由于他同性恋的性倾向而倍受折磨。1952年因小偷入室行窃，图灵向警察报了案，但他却忘了向警察掩藏他和另一位男士同居的事实，同年他被警方逮捕，以“有伤风化罪”罪名遭到起诉，并被判为有罪。而这期间，他不得不忍受报纸媒体对他案件的公开全面报道。性倾向被公开，私生活曝光于大众，政府也取消了他情报部门的工作。他的脾气变的躁怒不安，性格阴沉郁悒。1954年6月8日，人们在图灵的寓所发现了他的尸体。他在自己的住处服用沾过氰化物的苹果而自杀。临死的前夜，也许图灵的耳边还回响着那首歌：“毒液浸透苹果如睡之死渗入……”

迄今为止，作为计算机界“诺贝尔奖”的图灵奖已走过了36个春秋。40多位图灵奖得主均对计算机科学与技术的发展创新做出了杰出贡献。他们在珍惜自己所获崇高荣誉的同时，也深切怀念阿兰·图灵这位在计算机创新史上永放光芒的先驱。