計(jì)算機(jī)世界第一人：艾蘭·圖靈(1)_wxl

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·摘要：他的英年早逝，像他橫溢的才華一樣，令世界吃驚與難以置信。生命雖然短暫，但那傳奇的人生，豐富多彩的創(chuàng)造力和智慧而深邃的思想，使他猶如一顆耀眼的明星，持續(xù)地照耀著人間后世在科學(xué)的浩瀚太空里探索未來(lái)的人們。

他的英年早逝，像他橫溢的才華一樣，令世界吃驚與難以置信。生命雖然短暫，但那傳奇的人生，豐富多彩的創(chuàng)造力和智慧而深邃的思想，使他猶如一顆耀眼的明星，持續(xù)地照耀著人間后世在科學(xué)的浩瀚太空里探索未來(lái)的人們。

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)逐漸成為影響人類社會(huì)的最重要的工業(yè)之一。支持技術(shù)與工業(yè)發(fā)展的理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)科學(xué)。眾所周知，“諾貝爾獎(jiǎng)”是世界上最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)，但僅用于獎(jiǎng)勵(lì)那些在物理、化學(xué)、文學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與促進(jìn)世界和平等方面做出開(kāi)拓性重大貢獻(xiàn)的人士?！皥D靈獎(jiǎng)”則是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，有“計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)”之稱。設(shè)立這個(gè)大獎(jiǎng)，既是為了促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也是為了紀(jì)念一位天才數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)的奠基人艾蘭·圖靈，本文的主人公。

圖靈是舉世罕見(jiàn)的天才數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，僅僅在世42年。他的英年早逝，像他橫溢的才華一樣，令世界吃驚與難以置信。生命雖然短暫，但那傳奇的人生，豐富多彩的創(chuàng)造力和智慧而深邃的思想，使他猶如一顆耀眼的明星，持續(xù)地照耀著人間后世在科學(xué)的浩瀚太空里探索未來(lái)的人們。

倫敦的神童 思維可以像袋鼠般地跳躍

艾蘭·圖靈，1912年6月23日出生于英國(guó)倫敦一個(gè)“書香門第”，家族成員里有三位當(dāng)選過(guò)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，他的祖父還曾獲得劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽(yù)學(xué)位?？伤赣H居里歐的才能十分平常，數(shù)學(xué)尤其糟糕，正負(fù)數(shù)的乘法運(yùn)算就把他弄得焦頭爛額。但他倒能踏實(shí)辦事，于是被政府派到英屬殖民地印度去當(dāng)一名小公務(wù)員。

圖靈很小的時(shí)候就表現(xiàn)出與眾不同的天分，在他三四歲的時(shí)候自己學(xué)會(huì)了閱讀，讀的第一本書叫做《每個(gè)兒童都該知道的自然奇觀》。他特別喜歡數(shù)字和智力游戲，并為之著迷。圖靈自幼充滿好奇與想象，母親回憶說(shuō)：“他把一個(gè)玩具木偶的胳膊、腿掰下來(lái)栽到花園里，期待能‘生長(zhǎng)’出更多的玩具木偶，那年他3歲。”

圖靈（左一）和布雷契萊園的同事

6歲正式讀書后，圖靈越發(fā)顯得智力超群，校長(zhǎng)和老師都注意到這個(gè)特殊的小孩。8歲時(shí)，他寫了他的第一篇“科學(xué)”短文，題目叫《說(shuō)說(shuō)顯微鏡》。

圖靈從小喜歡體育運(yùn)動(dòng)，尤其酷愛(ài)足球。可是在和小朋友們踢足球的時(shí)候，他并不熱衷于上場(chǎng)，而是更喜歡在場(chǎng)外擔(dān)任巡邊，為的是能有機(jī)會(huì)觀察、估算每次足球飛出邊界的角度，他從中獲得了極大的樂(lè)趣，樂(lè)趣就在于能夠一眼看出問(wèn)題的答案。

圖靈天生悟性過(guò)人，16歲就能弄懂愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，并且運(yùn)用那深?yuàn)W的理論，獨(dú)立推導(dǎo)力學(xué)定律。

有一年，圖靈參加了地區(qū)的中學(xué)數(shù)學(xué)會(huì)考。閱卷結(jié)束，沒(méi)有任何學(xué)生能夠答對(duì)所有的問(wèn)題，主考官員卻發(fā)現(xiàn)圖靈的答卷上，所有的答案完全正確，可沒(méi)有任何中間步驟。主考官員心中疑惑，但辦事認(rèn)真負(fù)責(zé)，親自到學(xué)校找校長(zhǎng)和老師核查有無(wú)作弊行為。老師們卻見(jiàn)怪不怪，心中有數(shù)。一位教過(guò)圖靈的老師告訴主考官員：“這孩子的思維超常。我給學(xué)生們出了個(gè)光學(xué)的難題，圖靈竟不假思索，立即算出了正確答案。可是當(dāng)我要他給出計(jì)算過(guò)程時(shí)，他卻回答不出，那必須要運(yùn)用幾個(gè)圖靈沒(méi)有學(xué)過(guò)的光學(xué)公式。幾天之后，圖靈竟然把光學(xué)公式自己推導(dǎo)出來(lái)了?！崩蠋焸冋f(shuō)：“艾蘭的思維可以像袋鼠般地跳躍。”

計(jì)算機(jī)世界第一人：艾蘭·圖靈(2)

劍橋大學(xué)的高材生，國(guó)王學(xué)院最年輕的研究員

1931年，圖靈考進(jìn)了劍橋大學(xué)，在該大學(xué)的“國(guó)王學(xué)院”專攻數(shù)學(xué)。劍橋是他這一生學(xué)術(shù)生涯的起點(diǎn)。那兒有自由的學(xué)術(shù)環(huán)境，他如饑似渴地閱讀一切感興趣的書籍，甚至是剛剛出版上市的天才大數(shù)學(xué)家馮·諾依曼的新作《量子力學(xué)的邏輯基礎(chǔ)》。除了數(shù)學(xué)與物理之外，他的興趣比中學(xué)時(shí)代廣泛了許多，例如對(duì)哲學(xué)也產(chǎn)生了興趣，他選修了哲學(xué)大師維特根斯坦教授的“數(shù)學(xué)的哲學(xué)”課，還成為那班上最出色的學(xué)生。哲學(xué)與數(shù)學(xué)在邏輯學(xué)上有交匯。

劍橋大學(xué)的大數(shù)學(xué)家羅素和懷特海創(chuàng)立了“數(shù)理邏輯學(xué)”。這是一門非常抽象、講究邏輯思維、令人煞費(fèi)腦筋且望而生畏的學(xué)科。但是圖靈一聽(tīng)就懂了，而且立刻發(fā)生興趣。

這里，為便于讀者認(rèn)識(shí)圖靈，我想對(duì)“數(shù)理邏輯學(xué)”多說(shuō)兩句。這個(gè)學(xué)科的創(chuàng)建，起源于一個(gè)邏輯上的“悖論”。為了非專業(yè)人士都能明白邏輯悖論的含義，哲學(xué)家或者數(shù)學(xué)家喜歡用講故事的辦法來(lái)解釋它。一個(gè)經(jīng)典的故事是：村子里有位理發(fā)師，他為而且只為村子里所有那些不給自己理發(fā)的人理發(fā)。現(xiàn)在的問(wèn)題是，誰(shuí)為理發(fā)師理發(fā)？假定理發(fā)師為自己理發(fā)，那么依照理發(fā)師“只為不給自己理發(fā)的人理發(fā)”的規(guī)定，由此推理得出結(jié)論：理發(fā)師是不為自己理發(fā)的人，這與假定矛盾；或者假定理發(fā)師不為自己理發(fā)，那么依照理發(fā)師“為所有不給自己理發(fā)的人理發(fā)”的規(guī)定，由此又推理得出結(jié)論：理發(fā)師應(yīng)該為自己理發(fā)，這又與假定矛盾。所以，不論怎么假定，也就是說(shuō)不論誰(shuí)為理發(fā)師理發(fā)，都要出現(xiàn)不能自圓其說(shuō)的結(jié)論。

圖靈在家中花園閑坐

在數(shù)學(xué)的邏輯推理上會(huì)出現(xiàn)類似的悖論，1899年德國(guó)大數(shù)學(xué)家康托發(fā)現(xiàn)了一個(gè)悖論，英國(guó)大數(shù)學(xué)家羅素在1902年又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不同的悖論。人人皆知，整個(gè)“數(shù)學(xué)大廈”就建筑在嚴(yán)格的邏輯推理的基礎(chǔ)之上。邏輯推理出現(xiàn)悖論，對(duì)數(shù)學(xué)的邏輯推理與證明的打擊是致命的。數(shù)學(xué)家們十分擔(dān)憂，數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)出現(xiàn)了非同小可的麻煩，“數(shù)學(xué)大廈”會(huì)因悖論的存在而坍塌。于是，他們都想方設(shè)法去修補(bǔ)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以避免在邏輯推理過(guò)程中產(chǎn)生悖論。例如，康托發(fā)表專著《集合論》，羅素與懷特海聯(lián)合撰寫三卷《數(shù)學(xué)原理》，都為完善數(shù)學(xué)基礎(chǔ)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，創(chuàng)立了一門有關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)科“數(shù)理邏輯學(xué)”。

劍橋大學(xué)是“數(shù)理邏輯學(xué)”的發(fā)源地與大本營(yíng)，一群聰明而勤奮的青年數(shù)學(xué)家聚集在數(shù)學(xué)泰斗羅素教授的周圍，圖靈是其中的佼佼者。他在劍橋如魚得水，4年的大學(xué)教育，給他結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)地打好了學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，畢業(yè)后留校執(zhí)教，不到一年工夫，他就有所創(chuàng)造，發(fā)表了幾篇很有分量的數(shù)學(xué)論文，嶄露頭角。1935年，剛剛畢業(yè)，年僅23歲的圖靈就被劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院甄選為研究員，成為劍橋大學(xué)有史以來(lái)最年輕的研究員。為此，劍橋大學(xué)特地宣布放假半天以示慶賀。羅素教授也異常器重圖靈，安排圖靈講學(xué)授課。同年，圖靈又因他在“概率論”上的成就，榮獲“斯密思獎(jiǎng)”。

圖靈在數(shù)學(xué)，尤其是在“數(shù)理邏輯學(xué)”方面的深厚功底，令他幾年后終于厚積薄發(fā)，一舉成為計(jì)算機(jī)科學(xué)的創(chuàng)始人。

計(jì)算機(jī)世界第一人：艾蘭·圖靈(3)

普林斯頓的數(shù)學(xué)博士計(jì)算機(jī)科學(xué)的開(kāi)路先鋒

圖靈繼續(xù)在他的學(xué)術(shù)道路上飛躍，他要擴(kuò)大他的學(xué)術(shù)視野。1936年他來(lái)到美國(guó)的普林斯頓大學(xué)攻讀數(shù)學(xué)博士學(xué)位，他的研究涉及邏輯學(xué)、代數(shù)和數(shù)論等等領(lǐng)域，成績(jī)卓著，鶴立雞群。

在同一個(gè)城市，有個(gè)普林斯頓高等研究院，那里聚集著當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。世紀(jì)天才馮·諾依曼教授當(dāng)時(shí)正在該研究院主持?jǐn)?shù)學(xué)研究。他看過(guò)圖靈的論文后極為贊賞，惺惺相惜，極力邀請(qǐng)圖靈畢業(yè)后到普林斯頓高等研究院工作，做他的研究助手。馮·諾依曼雖然也很年輕，但已經(jīng)出類拔萃，大紅大紫。給馮·諾依曼當(dāng)研究助手是令多少年輕學(xué)者夢(mèng)寐以求的事情，然而圖靈心系劍橋，執(zhí)意要回到母校任教，令馮·諾依曼教授惋惜不止。惋惜的遠(yuǎn)不止馮·諾依曼，不知有多少學(xué)者發(fā)出嘆息，當(dāng)年兩位科學(xué)奇才沒(méi)能走在一起。盡可以想象，由于兩大世紀(jì)天才的合作，數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等等會(huì)獲得怎樣的發(fā)展？“1加1定會(huì)大于2”，兩顆燦爛的巨星一處發(fā)光，將會(huì)把科學(xué)的天空照耀得更加明亮。

圖靈先知先覺(jué)，是走在時(shí)代前面的天才。在電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)未問(wèn)世之前，他居然就會(huì)想到所謂“可計(jì)算性”的問(wèn)題。物理學(xué)家阿基米得曾宣稱：“給我足夠長(zhǎng)的杠桿和一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬動(dòng)地球?！鳖愃频膯?wèn)題是，數(shù)學(xué)上的某些計(jì)算問(wèn)題，是不是只要給數(shù)學(xué)家足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就能夠通過(guò)“有限次”的簡(jiǎn)單而機(jī)械的演算步驟而得到最終答案呢？這就是所謂“可計(jì)算性” 問(wèn)題，一個(gè)必須在理論上做出解釋的數(shù)學(xué)難題。

經(jīng)過(guò)智慧與深邃的思索，圖靈以人們想不到的方式，回答了這個(gè)既是數(shù)學(xué)又是哲學(xué)的艱深問(wèn)題。1936年，圖靈在倫敦權(quán)威的數(shù)學(xué)雜志上發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的重要論文《可計(jì)算數(shù)字及其在判斷性問(wèn)題中的應(yīng)用》。文章里，圖靈超出了一般數(shù)學(xué)家的思維范疇，完全拋開(kāi)數(shù)學(xué)上定義新概念的傳統(tǒng)方式，獨(dú)辟蹊徑，構(gòu)造出一臺(tái)完全屬于想象中的“計(jì)算機(jī)”，數(shù)學(xué)家們把它稱為“圖靈機(jī)”。這樣的奇思妙想只能屬于思維像“袋鼠般地跳躍”的圖靈。著名的“圖靈機(jī)”的概念在數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)中的巨大影響力至今毫無(wú)衰減。

“圖靈機(jī)”想象使用一條無(wú)限長(zhǎng)度的紙帶子，帶子上劃分成許多格子。如果格里畫條線，就代表“1”；空白的格子，則代表“0”。想象這個(gè)“計(jì)算機(jī)”還具有讀寫功能：既可以從帶子上讀出信息，也可以往帶子上寫信息。計(jì)算機(jī)僅有的運(yùn)算功能是：每把紙帶子向前移動(dòng)一格，就把“1”變成“0”，或者把“0”變成“1”?！?”和“1”代表著在解決某個(gè)特定數(shù)學(xué)問(wèn)題中的運(yùn)算步驟。“圖靈機(jī)”能夠識(shí)別運(yùn)算過(guò)程中每一步，并且能夠按部就班地執(zhí)行一系列的運(yùn)算，直到獲得最終答案。

“圖靈機(jī)”是一個(gè)虛擬的“計(jì)算機(jī)”，完全忽略硬件狀態(tài)，考慮的焦點(diǎn)是邏輯結(jié)構(gòu)。圖靈在他那篇著名的文章里，還進(jìn)一步設(shè)計(jì)出被人們稱為“萬(wàn)能圖靈機(jī)”的模型，它可以模擬其他任何一臺(tái)解決某個(gè)特定數(shù)學(xué)問(wèn)題的“圖靈機(jī)”的工作狀態(tài)。他甚至還想象在帶子上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序?！叭f(wàn)能圖靈機(jī)”實(shí)際上就是現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的最原始的模型。

圖靈的文章從理論上證明了制造出通用計(jì)算機(jī)的可能性。幾年之后，美國(guó)的阿坦納索夫在1939年果然研究制造了世界上的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ABC，其中采用了二進(jìn)位制，電路的開(kāi)與合分別代表數(shù)字0與1，運(yùn)用電子管和電路執(zhí)行邏輯運(yùn)算等。ABC是“圖靈機(jī)”的第一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)，看得見(jiàn)，摸得著。而馮·諾依曼不僅在上個(gè)世紀(jì)40年代研制成功了功能更好、用途更為廣泛的電子計(jì)算機(jī)，并且為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了編碼程序，還實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用紙帶存儲(chǔ)與輸入。到此，天才圖靈在1936年發(fā)表的科學(xué)預(yù)見(jiàn)和構(gòu)思得以完全實(shí)現(xiàn)。

圖靈當(dāng)年那篇?jiǎng)潟r(shí)代的抽象數(shù)學(xué)論文，原本是為了解決數(shù)學(xué)上的一個(gè)基礎(chǔ)性理論問(wèn)題，并非是研制一臺(tái)具體的計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)發(fā)展史不斷地告訴人們：許多重大的科學(xué)發(fā)明，往往是理論研究開(kāi)路在先，工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)在后?！叭f(wàn)能圖靈機(jī)”再一次令人們信服基礎(chǔ)理論在科學(xué)發(fā)展道路上的決定性作用。圖靈當(dāng)年的紙上談兵，那好似空中樓閣般的“萬(wàn)能圖靈機(jī)”，實(shí)際上是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)原理與計(jì)算機(jī)科學(xué)的開(kāi)路先鋒。

明白了圖靈那無(wú)與倫比的貢獻(xiàn)，人們就不難理解，何以馮·諾依曼對(duì)于“計(jì)算機(jī)之父”的桂冠堅(jiān)辭不受。曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)馮·諾依曼研究助手的美國(guó)物理學(xué)家弗蘭克爾教授這樣寫道：“許多人都推舉馮·諾依曼為‘計(jì)算機(jī)之父’，然而我確信他本人從來(lái)不會(huì)促成這個(gè)錯(cuò)誤。或許，他可以被恰當(dāng)?shù)胤Q為‘計(jì)算機(jī)的助產(chǎn)士’。依我之見(jiàn)，正是馮·諾依曼使世界認(rèn)識(shí)了由圖靈引入的計(jì)算機(jī)的基本概念?！备ヌm克爾教授此言不虛，在1949年，馮·諾依曼發(fā)表了一篇題為《自動(dòng)計(jì)算機(jī)的一般邏輯理論》的論文，客觀而公正地闡述了圖靈在計(jì)算機(jī)理論上的重大貢獻(xiàn)。他寫道：“大約12年前，英國(guó)邏輯學(xué)家圖靈就開(kāi)始研究‘可計(jì)算問(wèn)題’，他準(zhǔn)確地給出了‘自動(dòng)計(jì)算機(jī)’的一般性定義?！瘪T·諾依曼寧愿把“計(jì)算機(jī)之父”的桂冠轉(zhuǎn)戴在圖靈頭上。當(dāng)然，這已經(jīng)是在圖靈離開(kāi)普林斯頓十來(lái)年以后的事了，他當(dāng)年在普林斯頓并沒(méi)有像后來(lái)那樣受人景仰。圖靈曲高和寡，當(dāng)年就能看明白他那篇文章劃時(shí)代意義的，僅僅是少數(shù)杰出的數(shù)學(xué)家，如馮·諾依曼者。

客觀地說(shuō)，圖靈、阿坦納索夫、馮·諾依曼三人，都是計(jì)算機(jī)的先驅(qū)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的奠基人，他們的偉大貢獻(xiàn)被永遠(yuǎn)載入計(jì)算機(jī)的發(fā)展史中，若被稱為“計(jì)算機(jī)之父”，他們都當(dāng)之無(wú)愧。尤其是艾蘭· 圖靈與馮·諾依曼，他們好似是計(jì)算機(jī)科學(xué)浩瀚星空中相互映照的兩顆超級(jí)明亮的巨星。

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