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数学家传记

艾伦·图灵Alan Turing

出生
1912年6月23日 英格兰伦敦
逝世
1954年6月7日 英格兰柴郡威姆斯洛

艾伦·图灵的工作是计算机科学理论基础的根本。

完整传记

艾伦·图灵出生在伦敦帕丁顿。他的父亲朱利叶斯·马西森图灵是印度公务员系统中的英国成员,经常在国外。图灵的母亲埃塞尔·萨拉·斯托尼是马德拉斯铁路总工程师的女儿,图灵的父母在印度相识并结婚。当图灵大约一岁时,他的母亲回到印度与丈夫团聚,把图灵留在英格兰与家庭朋友在一起。图灵被送到学校,但似乎没有获得任何益处,因此几个月后他被从学校接走。

接着他被送到Hazlehurst预备学校,在那里他在大多数科目上似乎是一个“中等偏上”的学生,但非常热衷于追随自己的想法。在这所学校期间,他对国际象棋产生了兴趣,还加入了辩论社。他于1926年完成了普通入学考试,然后进入Sherborne学校。1926年正是大罢工的一年,当罢工进行时,图灵从家骑自行车60英里去学校,这对后来成为几乎达到奥林匹克标准的优秀运动员的图灵来说并不是太艰巨的任务。他发现很难适应这所公学的期望,然而他的母亲却如此坚决地认为他应该接受公学教育。许多最具独创性的思想家都发现传统学校教育是一个几乎无法理解的过程,图灵的情况似乎也是如此。他的天才驱使他走自己的方向,而不是老师要求的方向。

他因笔迹受到批评,英语学得很吃力,甚至在数学上他也过于关注自己的想法,而不愿用老师教的方法来解题。尽管给出了非传统的答案,图灵在Sherborne期间还是赢得了几乎每一个可能的数学奖项。在化学这门他从小就感兴趣的学科中,他按照自己的计划进行实验,这让他的老师很不高兴。图灵的校长写道(例如见[6]):-

如果他要留在公学,就必须以接受教育为目标。如果他只想成为一名科学专家,那他在公学就是在浪费时间。

这更多地说明了图灵所接受的学校制度的问题,而不是图灵本人的问题。然而,图灵在学校期间学习了深刻的数学,尽管他的老师们可能并不知道他在独自进行的研究。他读了阿尔伯特·爱因斯坦关于相对论的论文,还读了亚瑟·爱丁顿The nature of the physical world中关于量子力学的内容。

1928年发生了一件对图灵一生产生重大影响的事。他与克里斯托弗·莫科姆(Christopher Morcom)建立了亲密的友谊,莫科姆是比他高一年级的学生,两人一起研究科学思想。也许图灵第一次找到了一个可以分享自己思想和想法的人。然而莫科姆于1930年2月去世,这一经历对图灵是毁灭性的打击。他在莫科姆发病的那一刻就有一种莫科姆将死的预感,并觉得这是科学无法解释的事情。他后来写道(例如见[6]):-

要解释掉这些事情并不困难——但是,我怀疑!

尽管学校岁月艰难,图灵还是于1931年进入剑桥大学国王学院学习数学。这并非没有困难。图灵在1929年参加了奖学金考试,获得了一项助学金,但不是奖学金。他对这一成绩不满意,第二年再次参加考试,这次获得了奖学金。在许多方面,剑桥对于像图灵这样不循规蹈矩的人来说,比学校要容易得多。他现在更能探索自己的想法,并在1933年读了伯特兰·罗素Introduction to mathematical philosophy。大约在同一时间,他读了冯·诺伊曼1932年关于量子力学的教科书,这个主题他一生中多次回到。

1933年,图灵开始对数学逻辑产生兴趣。那年12月,他在剑桥道德科学俱乐部宣读了一篇论文,记录如下(例如见[6]):-

图灵宣读了一篇关于“数学与逻辑”的论文。他提出,纯粹逻辑主义的数学观是不充分的;数学命题拥有多种解释,而逻辑主义只是其中一种。

当然,1933年也是希特勒在德国崛起以及英国反战运动兴起的一年。图灵加入了反战运动,但他并没有像许多人那样转向马克思主义或和平主义。

图灵于1934年毕业,随后在1935年春天,他参加了马克斯·纽曼关于数学基础的高级课程。这门课程研究了库尔特·弗雷德里希·哥德尔的不完备性结果和大卫·希尔伯特关于可判定性的问题。从某种意义上说,‘可判定性’是一个简单的问题,即给定一个数学命题,能否找到一个算法来决定该命题是真还是假。对于许多命题,找到这样的算法很容易。真正的困难在于证明对于某些命题不存在这样的算法。当给出一个算法来解决问题时,很清楚它确实是一个算法,然而却没有一个足够严格的算法定义,使得人们能够证明不存在任何算法。图灵开始研究这些想法。

图灵于1935年因学位论文On the Gaussian error function当选为剑桥大学国王学院会士,该论文证明了关于概率论的基本结果,即central limit theorem。尽管中心极限定理最近才被发现,图灵对此并不知晓,并独立发现了它。1936年,图灵获得了史密斯奖。

图灵在剑桥的成就归功于他在概率论方面的工作。然而,自从参加马克斯·纽曼的课程以来,他一直在研究可判定性问题。1936年,他发表了On Computable Numbers, with an application to the Entscheidungsproblem。正是在这篇论文中,图灵引入了一种抽象机器,现在称为“图灵机”,它使用一套精确的有限规则(由有限表给出)从一个状态移动到另一个状态,并取决于它从纸带上读取的单个符号。

图灵机器可以在纸带上写一个符号,或从纸带上删除一个符号。图灵写道[13]:-

写下的某些符号将构成数字序列,即正在计算的实数的十进制表示。其他符号只是“辅助记忆”的粗略笔记。只有这些粗略笔记才可能被擦除。

他将可计算数定义为十进制展开可以由图灵机器从空白纸带开始产生的实数。他证明了π是可计算的,但由于只有可数个实数是可计算的,大多数实数不可计算。然后他描述了一个不可计算的数,并指出这似乎是一个悖论,因为他似乎用有限术语描述了一个不能用有限术语描述的数。然而,图灵理解了这一表面悖论的根源。不可能(用另一台图灵机器)判定一台具有给定指令表的图灵机器是否会输出无限的数字序列。

尽管这篇论文包含的思想自发表以来对数学和计算机科学具有根本的重要性,但要在Proceedings of the London Mathematical Society上发表它并不容易。原因是丘奇于1936年在American Journal of Mathematics上发表了An unsolvable problem in elementary 数论,该文也证明了算术不存在判定程序。图灵的方法与丘奇的方法非常不同,但马克斯·纽曼必须在伦敦数学会同意发表图灵的论文之前为其辩护。图灵修订后的论文引用了丘奇的结果,该论文于1936年4月首次完成,1936年8月以这种方式修订,并于1937年付印。

丘奇讨论的一个良好结果是,图灵于1936年成为普林斯顿大学的研究生。在普林斯顿,图灵在丘奇的指导下进行研究,并于1938年返回英国,此前他在1937年暑假回到英国时第一次遇到了路德维希·维特根斯坦。他在普林斯顿工作期间的主要出版物是Systems of Logic Based on Ordinals,于1939年出版。马克斯·纽曼在[13]中写道:-

这篇论文充满了有趣的建议和想法。……[它]对图灵关于直觉在数学证明中地位的观点有很大启发。

在这篇论文发表之前,图灵发表了两篇关于更为传统数学主题的论文。其中一篇讨论了用有限逼近李群的方法。另一篇论文证明了关于群扩张的结果,这些结果最初由Reinhold Baer证明,给出了更简单、更统一的方法。

也许图灵在图灵机方面工作最显著的特点是,他在技术尚未达到可以实际建造的程度之前就描述了一台现代计算机。他在1936年的论文中证明了通用图灵机的存在[13]:-

……这种机器可以完成任何专用机器的工作,也就是说,只要插入一条带有合适“指令”的纸带,它就能执行任何计算任务。

尽管对图灵来说,“计算机”是进行计算的人,但我们必须在他对通用图灵机的描述中看到我们今天所认为的、以纸带作为程序的计算机。

在普林斯顿时,图灵曾考虑过建造计算机的想法。1938年回到剑桥后,他开始建造一台模拟机械装置来研究黎曼假设,今天许多人认为这是数学中最大的未解决问题。然而,他的工作很快呈现出新的面貌,因为他返回后不久就联系了政府密码学校,后者请他帮助破译德国Enigma密码。

1939年宣战时,图灵立即转到布莱切利园的政府密码学校全职工作。尽管在布莱切利园进行的工作受《官方保密法》约束,但许多内容最近已成为公开知识。图灵在破译密码以及开发计算机来协助破译方面的卓越想法,可能在战争期间比任何其他人都拯救了更多军事人员的生命。对他来说,这也是一段快乐的时光[13]:-

……也许是他一生中最幸福的时期,他的创造力得到了充分发挥,有温和的日常安排来塑造每一天,还有一群志同道合的同事。

与另一位数学家 W G 戈登·维尔赫曼 一起,图灵 在波兰数学家早期工作的基础上开发了 Bombe,这台机器从 1940 年末开始破译德国空军 Enigma 机发送的所有信息。德国海军的 Enigma 机要难破译得多,但这正是 图灵 喜欢的那种挑战。到 1941 年中期,图灵 的统计方法连同截获的信息,使德国海军的信号在布莱切利被破译。

从1942年11月到1943年3月,图灵在美国就破译问题和语音保密系统进行联络。德国人编码信息方式的改变意味着布莱切利园失去了破译信息的能力。图灵没有直接参与成功破译这些更复杂的密码,但他的思想在这项工作中被证明极为重要。图灵于1945年因对战争努力的重大贡献而被授予O.B.E.。

战争结束时,图灵 应伦敦国家物理实验室之邀设计一台计算机。他提议自动计算引擎(ACE)的报告于1946年3月提交。图灵 的设计在当时是一份原创性的详细设计,也是现代意义上计算机的构想书。他为 ACE 规划的存储容量,被大多数看过报告的人认为过于雄心勃勃,几乎不可能实现,项目批准也因此被拖延。

图灵 于1947-48学年回到剑桥,他的兴趣广泛涉及许多远离计算机或数学的课题;尤其研究了神经学和生理学。不过,在此期间他并未忘记计算机,还为计算机编写了编程代码。他在学术圈外也有兴趣,战后认真投入了田径运动。他是 欧内斯特·沃尔顿 田径俱乐部的成员,以创纪录的成绩赢得了他们的3英里和10英里冠军。他参加了1947年的A.A.A.马拉松赛,获得第五名。

到 1948 年,马克斯·纽曼 是曼彻斯特大学的数学教授,他邀请 图灵 去那里担任高级讲师。图灵 从国家物理实验室辞职,前往曼彻斯特任职。马克斯·纽曼 在 [13] 中写道,在曼彻斯特:-

……F C Williams 和 T Kilburn 开始建造一台计算机。预期 图灵 将领导这项工作的数学方面,并且有几年他继续工作,首先设计子程序,这类机器的较大程序就是由这些子程序构建的,然后,随着这类工作变得标准化,他转向数值分析中更一般的问题。

1950年,图灵在Mind上发表了Computing machinery and intelligence。这是他又一部非凡的著作,出自他那极具创造力的头脑,似乎预见到了随着计算机发展将会出现的问题。他研究的问题如今正处于人工智能的核心。正是在这篇1950年的论文中,他提出了图灵测试,时至今日,人们仍在试图回答计算机能否具有智能时应用这一测试[1]:-

……他开始参与关于机器与大脑之间差异与相似之处的讨论。图灵的观点以极大的力量和机智表达出来,即那些认为两者之间存在不可逾越的鸿沟的人应当指出差异究竟在哪里。

图灵没有忘记可判定性问题,这曾是他那些杰出数学出版物的起点。群的表现理论中的主要问题之一是:给定有限呈现群中的任意一个字,是否存在一种算法来判定该字是否等于单位元。波斯特已经证明对于半群不存在这样的算法。图灵起初以为他已经对群证明了同样的结果,但就在他为其证明举行讨论班之前,他发现了一个错误。他能够从有缺陷的证明中挽救出这样一个事实:存在一个具有不可解字问题的可消半群,并于1950年发表了这个结果。Boone利用图灵这篇论文中的思想,于1957年证明了一个具有不可解字问题的群的存在。

图灵 于1951年当选为 伦敦皇家学会 会士,主要因为他在1936年关于 图灵 机器的工作。到1951年,他正致力于将数学理论应用于生物形态。1952年,他发表了对形态发生——即生物体中模式和形态的发育——理论研究的第一部分。

1952年,图灵 因向警方报告一桩同性恋事件的细节,而因违反英国同性恋法规被捕。他去警察局是因为受到敲诈威胁。1952年3月31日,他作为同性恋者受审,除了表示自己看不出行为有何不妥外,没有作任何辩护。被判有罪后,他面临监禁或注射雌激素一年的选择。他接受了后者,随后又回到了广泛的学术追求中。

2009年9月10日,英国首相戈登·布朗代表英国政府,就战后 图灵 所受的对待,作出了正式的公开道歉。

他不仅推进了对形态发生的进一步研究,还致力于量子理论中的新思想、用旋量表示基本粒子以及相对论。尽管他对自己的性取向完全公开,但他还有另一种不幸,由于《官方保密法》他不得谈论此事。

布莱切利园的破译工作成为GCHQ新的破译和情报工作的基础。随着冷战,这成为一项重要行动,图灵继续为GCHQ工作,尽管他在曼彻斯特的同事对此完全不知情。在他被定罪后,他的安全许可被撤销。更糟糕的是,安全官员现在极其担心,一个完全了解GCHQ正在进行的工作的人现在被标记为安全风险。他有许多外国同事,任何学者都会如此,但警方开始调查他的外国访客。图灵在1953年在希腊度的一次假期引起了安全官员的恐慌。

图灵在进行电解实验时死于氰化钾中毒。在他身旁一个吃了一半的苹果上发现了氰化物。一项调查得出结论,这是自行服用的,但他的母亲始终坚称这是一次意外。

参考文献

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延伸资源

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