被遗忘的图灵：计算机、神经网络、人工智能……他是这一切之父
106年前的今天（6月23日），阿蘭·麥席森·圖靈在英國倫敦出生。
1968年，也就是圖靈逝世14年后，一份此前從未發(fā)表過的圖靈論文原稿出現(xiàn)在了《科學(xué)美國人》雜志上。
在這篇寫于1948年、題為《智能機器》的論文里，圖靈第一次為世人勾勒出了人工智能領(lǐng)域的輪廓。
他不僅為聯(lián)結(jié)主義理論奠定了基礎(chǔ)，還引入了多種對于日后的AI研究至關(guān)重要的概念。
而在此之前，聯(lián)結(jié)主義被廣泛認(rèn)為起源于在1957年首次發(fā)表相關(guān)論文的弗蘭克·羅森布拉特。
然而，圖靈這篇跨時代的論文在當(dāng)時被自己的領(lǐng)導(dǎo)、英國國家物理實驗室主任查爾斯·達爾文斥之為“小學(xué)生作文”，不予發(fā)表。
一份偉大的思想，就此失去了提早照亮世界的機會。
觀其一生，圖靈對于宣揚自己的思想始終缺乏足夠的熱情。他古怪、孤僻、木訥，任憑自己和作品在偏見中被埋沒，并最終如愿以償……
如同那份被埋藏的論文手稿——阿蘭·圖靈，最終成為了被遺忘的那個人。
算出不可計算之物
1935年，圖靈23歲。
這一年，他構(gòu)想出了一種后來被世人稱為“通用圖靈機”的抽象設(shè)備。這種設(shè)備擁有無限的內(nèi)存，能夠同時存儲程序和數(shù)據(jù)；它還包括一個在內(nèi)存上以一個符號為單位前后移動的掃描器，用于讀取信息及寫入額外的符號。
機器的每一種基本行為都十分簡單，比如“識別掃描器所處位置的符號”，“寫入‘1’”或是“向左移動一個位置”。但當(dāng)大量類似的基本行為聯(lián)結(jié)在一起，結(jié)果就會變得復(fù)雜。
雖然結(jié)構(gòu)簡單，但一臺通用圖靈機足以執(zhí)行今天最強大的計算機能夠完成的任何任務(wù)——事實上，所有現(xiàn)代數(shù)字計算機本質(zhì)上都是通用圖靈機。
在1935年，圖靈的目標(biāo)是設(shè)計出一臺盡可能簡單的機器，讓它能在無限的時間、功耗、紙和筆以及完美的專注度下進行任何人類數(shù)學(xué)家能夠借助算法完成的計算。稱其“通用”，就是因為它有能力進行所有類似的運算。
圖靈本人曾寫過：“電子計算機是為了執(zhí)行任意特定的、依靠經(jīng)驗法則的處理進程，這些進程原本可以由人類以一種有規(guī)則但卻笨拙的方式完成。”
理論而言，圖靈成功了。不過，一個引人注目的問題依然隨之產(chǎn)生：我們有可能設(shè)計出甚至比通用圖靈機更加強大的機器嗎？
有段時間，超計算（Hypercomputation）領(lǐng)域吸引著越來越多的科學(xué)家。一部分人猜測，已知最為復(fù)雜的信息處理器——人腦本身——就是一個超計算機（Hypercomputer）的自然實例。
而在人們真正燃起對于超計算的興趣之前，所有已知對于通用圖靈機而言過于復(fù)雜的信息處理工作都被作為“不可計算之物”而忽略。從這個意義上講，一臺超機器（Hypermachine）應(yīng)該能夠算出“不可計算之物”。
“不可計算之物”的實例在數(shù)學(xué)領(lǐng)域十分常見。比如，對于一些隨機選定的算術(shù)陳述，一臺通用圖靈機并不能判斷出哪些屬于定理（如“7+5=12”）以及哪些不是定理（如“任意一個數(shù)都是兩個偶數(shù)之和”）。
還有一種“不可計算的”問題來自于幾何領(lǐng)域。一組大小不同、各條邊的顏色也不同的正方形瓷磚是否能“鋪滿“一個歐幾里得平面（沒有空隙、沒有重疊且接合各邊的顏色相同視為“鋪滿”）？夏威夷大學(xué)的邏輯學(xué)家William Hanf和Dale Myers就曾發(fā)現(xiàn)過一組通用圖靈機無法計算的瓷磚。
在計算機科學(xué)領(lǐng)域，一臺通用圖靈機無法一直預(yù)測對眼前的程序是會終止，還是會永遠(yuǎn)繼續(xù)運行下去。有時這種情況被人們稱為，沒有通用目的語言（Pascal、BASIC、Prolog、C等等）能夠擁有一個哪怕最簡單的崩潰調(diào)試器，它們難以發(fā)現(xiàn)能夠?qū)е卤罎⒌墓收?#xff0c;包括那些會引發(fā)無限處理循環(huán)的錯誤。
圖靈本人成為了第一個對所謂“超計算機”的構(gòu)想進行研究的人。1938年，在自己的博士學(xué)位論文中，圖靈描繪了“一種全新的機器”——“預(yù)言機”（O-machine）。
““預(yù)言機”“即一臺通用圖靈機加上一個黑箱后得到的成果。黑箱又被稱為“預(yù)言家”（Oracle），是一種用以執(zhí)行那些“不可計算的”任務(wù)的機制。
而在其他方面，”“預(yù)言機”“都與一般的計算機十分相似。輸入一個被數(shù)字化編碼過的程序之后，”“預(yù)言機”“會通過重復(fù)的基本行為組合一步步地輸出結(jié)果。其中一步就是向“預(yù)言家”傳輸數(shù)據(jù)并記錄其反饋。
圖靈并沒有說明“預(yù)言家”是如何工作的（他也從沒解釋過通用圖靈機的那些基本行為——識別掃描器中的符號”是如何實現(xiàn)的）。不過單從概念上看，一種能夠滿足“預(yù)言家”特性的機制并非難以想象。
原則上，如果神經(jīng)元的活動被去同步化，一個合適的B型網(wǎng)絡(luò)就能對那些“不可計算之物”進行計算（如果存在一個能讓各神經(jīng)元協(xié)調(diào)工作的中樞生物鐘，該網(wǎng)絡(luò)的運作就能在一臺通用圖靈機中被精確地模擬出來）。
在超計算理論中，像“分辨算術(shù)定理和非算術(shù)定理”這類任務(wù)都不可解；即便是能夠分辨出程序是否由C語言寫成的調(diào)解器，也會陷入理論上可能的無限循環(huán)。
而如果超計算機能被制造出來，那么用它破解那些看似不可解的邏輯和數(shù)學(xué)問題的潛力將會十分巨大——不過，相關(guān)的研究嘗試也很可能因無法滿足實現(xiàn)“預(yù)言家”所需的條件而告吹。
在數(shù)理邏輯之外，圖靈的”“預(yù)言機”“幾乎被忘得一干二凈；相反，一個神話被人們供奉了起來：在一份子虛烏有的記錄中，圖靈在二十世紀(jì)三十年代中期成功證明了超機器是可能的——傳言中，他與自己在普林斯頓大學(xué)的博士生導(dǎo)師阿隆佐·邱奇宣稱一臺通用圖靈機可以精確地模擬任何其他信息處理機器的行為。
這條被廣為誤讀的“邱奇—圖靈論題”意味著，沒有機器能夠解決通用圖靈機能力范圍之外的任務(wù)。
但事實上，邱奇和圖靈只說過，一臺通用圖靈機能夠模擬任何人類數(shù)學(xué)家在使用筆和紙的情況下借助算法完成的工作——對于一個神話而言，這個命題顯然過于薄弱了。
圖靈對于超計算機的理論貢獻無疑被忽視了——即便是對于工作于這一領(lǐng)域的研究者而言。專家們永遠(yuǎn)談?wù)摰氖且獔?zhí)行“超越圖靈局限”的信息處理任務(wù)，稱自己的工作是在嘗試“打破圖靈障礙”。
《新科學(xué)家》雜志上曾有一篇報道甚至聲稱，全新的機器已經(jīng)“超出了圖靈的概念范疇”，它們是“圖靈從未構(gòu)想到的計算機類型”……
就仿佛半個世紀(jì)前，那位來自英國的天才從未踏足過這片領(lǐng)土。憂傷的是，那只不過是圖靈聯(lián)結(jié)主義思想的又一次復(fù)活罷了。
圖靈聯(lián)結(jié)
數(shù)字計算機都是無與倫比的神算子。如果讓它們預(yù)測火箭的發(fā)射軌跡，或是計算大型跨國公司的賬目，它們可以在幾秒內(nèi)就給出答案。
然而，換成那些對于人類而言輕而易舉的事情——比如認(rèn)臉或是閱讀手寫的文字，機器會變得完全不知道從何入手。
也許是因為組成人腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具備專門應(yīng)對這類任務(wù)的部門，而普通計算機沒有。因而，科學(xué)家們開始嘗試開發(fā)結(jié)構(gòu)更加接近人腦的計算機。
1948年，圖靈36歲。
這一年，他在一篇未能發(fā)表的論文中第一次引入了聯(lián)結(jié)主義的思想。在論文中，圖靈發(fā)明了一種他稱之為“B型非結(jié)構(gòu)化機器”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含人工神經(jīng)元以及可以對神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)進行調(diào)節(jié)的設(shè)備。
B型機器中的神經(jīng)元可以是任意數(shù)量，也可以以任意模式相聯(lián)結(jié)，但依然神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)必須通過調(diào)節(jié)器。
所有調(diào)節(jié)器都具有兩條訓(xùn)練光纖。向其中一條光纖上加置一個脈沖，會將調(diào)節(jié)器設(shè)定為“通過模式”：在這種模式下，一個輸入（0或1）將會原封不動地從中通過并轉(zhuǎn)化為輸出。
而在另外一條光線上加置的脈沖將會把調(diào)節(jié)器設(shè)定為“干預(yù)模式”：在這種模式下，無論輸入為何，輸出結(jié)果都將為1。在這種狀態(tài)下，調(diào)節(jié)器會將所有試圖通過的信息全部破壞。
一旦被設(shè)定完成，調(diào)節(jié)器將會一直保持“通過”或“干預(yù)”的狀態(tài)，除非其收到另一條訓(xùn)練光纖上的脈沖。這一獨創(chuàng)性的設(shè)計使得B型非結(jié)構(gòu)化機器能夠以圖靈稱之為“適度干預(yù)，摹擬教育”的方式來進行訓(xùn)練。
事實上，正是圖靈創(chuàng)立了“幼兒的皮層是一個非結(jié)構(gòu)化機器，可以通過適度干預(yù)訓(xùn)練來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化”的理論。
圖靈設(shè)計的每個神經(jīng)元模型都有兩條輸入光纖，而每個神經(jīng)元的輸出就是兩個輸入的邏輯函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個神經(jīng)元都執(zhí)行相同的邏輯操作——“與非”（NAND），即只要其中一個輸入為0，則輸出為1；如果兩個輸入均為1，則輸出為0。
圖靈選擇“與非”是因為所有其他的（布爾）邏輯操作都可以通過與非神經(jīng)元的組合實現(xiàn)。更進一步，圖靈還證明了連聯(lián)結(jié)調(diào)節(jié)器本身也能通過“與非”來構(gòu)建。因而，圖靈指定了一種只由與非神經(jīng)元和它們的聯(lián)結(jié)光纖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)——這也幾乎是最簡單的大腦皮層模型。
1958年，羅森布拉特曾經(jīng)以一句話給聯(lián)結(jié)主義的理論基礎(chǔ)下了定義：“被存儲的信息以新的聯(lián)結(jié)——或是神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)傳輸信道的形式而存在。”
由于對已有聯(lián)結(jié)的破壞在功能上等同于新的聯(lián)結(jié)的產(chǎn)生，研究者們就能通過使用一個包含額外聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)，并選擇性地破壞一部分聯(lián)結(jié)的方式來構(gòu)建針對特定任務(wù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
圖靈的B型非結(jié)構(gòu)化機器的訓(xùn)練過程，同時包含了毀滅和創(chuàng)造兩種形式。
圖靈還希望能夠發(fā)掘其他種類的非結(jié)構(gòu)化機器，他一直想用一臺普通的數(shù)字計算機對一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極其訓(xùn)練機制進行模擬。他曾說：“要允許整個系統(tǒng)運行可觀的一段周期，然后像（突然闖入課堂的）”督學(xué)“一般打斷它并觀察它的學(xué)習(xí)進展。”
他原本有機會這么做。然而，在用上第一批通用電子計算機之前，圖靈就已經(jīng)開始了自己在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的工作（1954年Belmont G. Farley和Wesley A. Clark在MIT成功運行了對于小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的首次電腦模擬）。
盡管圖靈單單用紙和筆就能夠證明，一個足夠大的B型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過如此配置之后就能變成一臺通用計算機。這一發(fā)現(xiàn)依然解決了人類認(rèn)知領(lǐng)域最基本的問題之一。
自上而下來看，“認(rèn)知”包括復(fù)雜的順序進程，如同在數(shù)學(xué)計算中一般，它通常會將語言或其他形式的符號表征囊括在內(nèi)。然而自下而上地看，“認(rèn)知”只是簡單的神經(jīng)元燃燒而已。認(rèn)知科學(xué)家面臨的問題，是如何讓這些不同的角度協(xié)調(diào)起來。
圖靈的發(fā)現(xiàn)則為這一問題指明了一個方向：自上而下來看，如通用計算機一般工作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠執(zhí)行那些連續(xù)的、富于符號表征的處理工作，因此應(yīng)該把關(guān)注點放在大腦皮層上。
在1948年，這一假說十分超前——而事實上，直到現(xiàn)在，它仍然是對于認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域幾大難題最棒的猜想之一。
尾聲
1950年，圖靈38歲。
在自己生命的最后幾年，圖靈開辟了人工生命的全新領(lǐng)域。
當(dāng)時他在試圖模擬一種化學(xué)機制，通過這種化學(xué)機制，一個受精卵細(xì)胞的基因?qū)⒖赡軟Q定其發(fā)育而成的動物或植物的解剖結(jié)構(gòu)。
他稱，這項研究與自己在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的研究“并非毫無關(guān)聯(lián)”，因為“大腦的結(jié)構(gòu)必須……通過遺傳上的胚胎學(xué)機制而實現(xiàn)，而且，我正在研究的這種理論可能會更好地說明這一過程意味著怎樣的局限性。”
在那幾年，圖靈成為了第一個在計算機輔助下進行非線性動力系統(tǒng)研究的人。他的理論使用了非線性微分方程來對發(fā)育的化學(xué)過程進行表達。
不過，這項開創(chuàng)性的研究只進行了一半。
1954年6月8日，圖靈被發(fā)現(xiàn)在自己的臥室中死于氰化物中毒。除了那顆被咬掉一口的蘋果，圖靈還留下了一大摞手寫的筆記和一些計算機程序。之后的幾十年里，這些材料仍然不能被人們完全理解。
又或許已經(jīng)被忘卻。
原文發(fā)布時間為：2018-06-23
本文作者：關(guān)注前沿科技
本文來自云棲社區(qū)合作伙伴“量子位”，了解相關(guān)信息可以關(guān)注“量子位”。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的被遗忘的图灵：计算机、神经网络、人工智能……他是这一切之父的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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