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A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 20 / 25

The Machine

机器

機器

Turing made rule-following precise enough to prove its limits. The person behind the model lived a life no definition could contain.

图灵把纸笔计算者的一段活动定义成机器,也由此证明了任何这种机器都越不过的一条边界。

圖靈把紙筆計算者的一段活動定義成機器,也由此證明了任何這種機器都越不過的一條邊界。

Han Qin · Independent English edition秦汉 · 简繁中文与独立英文版秦漢 · 簡繁中文與獨立英文版

In this essay篇内目录篇內目錄
  1. 1. The Computer Was a Person
  2. 2. An Ordinary Phrase
  3. 3. The Tape
  4. 4. Several Roads to the Same Boundary
  5. 5. Do the Opposite
  6. 6. Princeton and Bletchley
  7. 7. 1950, 1952
  8. 8. The Apple That Was Not Tested
  1. 一 计算者
  2. 二 一句日常的话
  3. 三 纸带
  4. 四 同一条边界
  5. 五 反过来
  6. 六 普林斯顿,布莱切利
  7. 七 一九五〇,一九五二
  8. 八 一只没有化验过的苹果
  1. 一 計算者
  2. 二 一句日常的話
  3. 三 紙帶
  4. 四 同一條邊界
  5. 五 反過來
  6. 六 普林斯頓,布萊切利
  7. 七 一九五〇,一九五二
  8. 八 一隻沒有化驗過的蘋果

1. The Computer Was a Person

In spring 1936, Alan Turing, a twenty-three-year-old fellow of King's College, Cambridge, completed a paper about computable numbers. The London Mathematical Society received it on May 28. Its title connected those numbers to the Entscheidungsproblem, the decision problem associated with Hilbert.

A computable number, roughly speaking, is one whose digits can be generated by a finite, effective procedure to any requested precision. Pi is an example. The paper's question was not simply how to calculate more digits. It was what calculating by a procedure means.

The machine now bearing Turing's name first appears through a comparison with a person. In the paper's analysis, a “computer” is someone working on paper. The paper can be divided into squares. The person can inspect only a limited amount at once, distinguish finitely many symbols, and have finitely many relevant states of attention. Each elementary action changes a symbol, shifts attention, or changes the state governing the next action.

That vocabulary was ordinary in 1936. Observatories and table-making institutions employed human computers to carry out prescribed calculations. They had bodies, fatigue, understanding, and moments of inspiration. Turing's analysis did not claim that these exhausted a human being. It isolated the part of the work performed by following an explicit rule.

Remove the freedom to invent the next step. Separate a complicated act into small, local acts. Retain only what the current instructions and currently inspected symbol determine. The remaining idealization is the machine.

The tape need not be manufactured; its unbounded extent expresses the absence of an arbitrary storage limit in the mathematical model. At any finite stage, only finitely much is used. That distinction separates the abstract machine from every physical device subsequently built to approximate it.

Turing was not beginning with a blueprint for electronic hardware. He was making an informal activity precise enough that mathematics could prove a limit on it. The original paper preserves the movement from the person with paper to the formal machine.

To understand why that reduction mattered, go back to a question posed before anyone could purchase a digital computer.

2. An Ordinary Phrase

In 1928, Hilbert and Wilhelm Ackermann placed the decision problem near the centre of mathematical logic. Given an arbitrary first-order formula, could a uniform mechanical procedure determine in finitely many steps whether it was valid under every interpretation?

Validity is not the same as truth in one chosen mathematical structure. A logically valid formula holds under all interpretations of its nonlogical symbols. Nor does the question ask whether a sufficiently clever mathematician can settle one particular example. It asks for a single method covering the entire class.

A positive answer would require an algorithm. A negative answer required something harder to formulate: a proof that no algorithm could possibly work. Yet “mechanical procedure” remained an ordinary phrase. Until its scope was made exact, how could all possible procedures be ruled out?

There had been encouraging partial successes. Bernays investigated decision procedures for propositional logic in 1918. Heinrich Behmann treated restricted logical classes in 1921. Presburger's arithmetic was another island where a uniform method existed. Such results made the larger ambition serious, not foolish.

Gödel's 1930 completeness theorem supplied a related but incomplete guarantee. If a first-order sentence is logically valid, systematic enumeration of formal proofs will eventually find a proof of it. If it is not valid, that particular search may continue forever.

Thus logical completeness did not establish decidability. It ensured that valid sentences have proofs, not that one can always determine in advance which search will succeed. The difference between reaching an answer and waiting indefinitely became decisive.

In March 1935, King's elected Turing to a fellowship on the strength of work in probability. He had independently obtained a result already proved by Jarl Waldemar Lindeberg in 1922. The prior publication did not prevent the election. The fellowship provided three years of support, £300 annually with accommodation and meals.

That spring he attended Max Newman's lectures on the foundations of mathematics. Newman later recalled presenting the decision problem in terms of a process that could be carried out mechanically, perhaps explicitly by a machine.

The recollection is late; it cannot supply a recording of the classroom. But it identifies the intellectual step Turing took. He did not first seek one more clever decision method. He examined the word describing every method under consideration.

If a claim says “no mechanical method can do this,” the word “mechanical” must become something one can reason about. Otherwise impossibility remains an assertion with an undefined boundary.

3. The Tape

Imagine a tape divided into cells. Each cell holds a symbol from a finite alphabet or is blank. The machine inspects one cell at a time and occupies one of finitely many internal states.

Its current state and the symbol under inspection determine the next move. It may write or erase, move along the tape, and enter a new state. A finite table specifies all the instructions.

Modern textbook versions normalize the details in slightly different ways: whether staying in place is allowed, how a halt is represented, whether one or several tapes are used. Those variations can simulate one another. They do not alter the class of effectively computable functions.

Turing's first example alternates zero and one indefinitely, placing output digits on alternating squares. Its four states and tiny instruction table are intentionally simple. Greater complexity comes from more elaborate tables and longer computations, not from an unexplained flash of intelligence inside the box.

The decisive next move is to describe the table itself by symbols. Once a machine's instructions have a finite encoding, they can become another machine's input.

Turing showed how to construct a universal machine. It reads the encoded description of a machine and simulates its successive operations. A particular task need no longer require a new basic mechanism. Changing the description supplied to the universal machine changes the task.

This is a logical ancestor of programmable computing. It is not a claim that Turing alone invented the stored-program electronic computer, or that the universal machine was an engineering design ready for construction in 1936. Encoding instructions has its own prehistory, and practical computers required a further history of circuits, memory, organization, and engineering.

Universality also does not mean omnipotence. A universal machine can simulate any machine in the specified class. It cannot thereby compute functions outside that class. “Universal” quantifies over the model, not over every imaginable mathematical question.

The tape and table matter because they provide exact objects for a proof. Instruction tables can be listed; descriptions can be checked and manipulated; one machine can take another's description as input.

The earlier ordinary phrase now has a rigorous candidate meaning. Instead of gesturing toward all possible rule-following, a mathematician can speak about every finite table of this kind. The apparently modest reduction of a person to local steps makes a general impossibility argument possible.

4. Several Roads to the Same Boundary

Across the Atlantic, Alonzo Church had approached effective calculation through a different formalism. Working in Princeton with students including Stephen Kleene, he studied functions expressed through the lambda calculus, a symbolic system centred on abstraction and substitution.

In April 1936, Church published an undecidability result and proposed identifying effective calculability with the formally definable class he had investigated. A short paper later that year applied the result directly to the Hilbert–Ackermann decision problem.

An offprint reached Cambridge just as Newman had read Turing's manuscript. Newman wrote to Church about the painful coincidence for the young mathematician, whose independently developed definition used machines rather than lambda expressions. He also stressed the value of Turing's approach and encouraged a visit to Princeton.

It was Turing's second encounter with a predecessor, after Lindeberg. He did not discard the paper. The route to the result mattered because it offered a different account of what the formal class represented.

Turing acknowledged Church's work and argued that the definitions agreed. His appendix and a further 1937 paper established the connection with lambda-definability. Emil Post independently described a related model in which a worker follows fixed instructions while marking, erasing, and moving among boxes.

Machine computation, lambda-definability, and recursive-function methods converged on the same class. The agreement among formalisms is a mathematical result. The further assertion that this class captures every effective method in the ordinary sense is the Church–Turing thesis.

The thesis is not an ordinary theorem equating two already formalized notions, because one side refers to an informal concept. It is also not an arbitrary naming convention. Independent models agree, and Turing supplied a detailed analysis of finite, explicit human calculation.

This thesis concerns effective computation. It does not by itself claim that every physical process, every human thought, or every possible intelligence is adequately described by a standard Turing machine. Broader versions require further assumptions.

Church's 1937 review praised the directness of Turing's connection to effective calculability and used the name “Turing machine.” A person with paper, pencil, and explicit instructions could themselves count as one.

The reversal is striking without being mystical. Turing had abstracted a machine from a human activity. Church could then place that activity within the machine model. The model had not swallowed the whole person; it had identified the procedural part with enough precision to make it available for mathematics.

5. Do the Opposite

The modern halting problem gives the cleanest introduction to the obstruction.

Suppose a decision procedure H always determines whether a program halts on a supplied input. Construct another program D. Given a program description p, D asks H whether p halts when run on its own description. If H says yes, D runs forever. If H says no, D halts immediately.

Now run D on its own description.

If H predicts that D halts, D deliberately does not. If H predicts that it runs forever, D halts. Either answer contradicts the supposed correctness of H. Therefore no total, always-correct procedure of the assumed kind exists.

The construction does not require a mysterious machine that knows itself psychologically. It requires only encoded instructions and the possibility of treating an instruction description as data. Self-input is a syntactic operation.

Turing's 1936 presentation used somewhat different problems and terminology, particularly whether a machine would keep producing further output digits. A machine can continue moving without producing more digits, so that original question should not simply be renamed “halting” without qualification. Modern textbook arguments reorganize the result into related undecidable problems.

The diagonal pattern has appeared twice already in this series. Cantor changed entries along a proposed enumeration to produce an omitted sequence. Gödel encoded formal expressions arithmetically to construct a sentence tied to its own provability. Here a program receives its own code and reverses a predicted outcome.

The mathematical objects and hypotheses differ. The family resemblance lies in encoding, self-application, and a diagonal change designed to defeat an alleged exhaustive procedure.

Turing then connected an undecidable machine question to first-order validity. If a general decision procedure for logic existed, it would resolve a problem his argument showed could not be decided. Therefore the desired logical procedure did not exist.

This does not contradict Gödel's completeness theorem for first-order logic. Every valid sentence can still have a proof, while no algorithm always distinguishes valid sentences from invalid ones. Nor is it identical to the incompleteness theorem for effectively axiomatized arithmetic.

The distinctions are worth retaining. Semantic validity, formal provability, completeness of a theory, and termination of an algorithm are connected without being interchangeable. Hilbert's particular decision problem received a negative answer because Church and Turing made those connections precise.

6. Princeton and Bletchley

Turing went to Princeton in autumn 1936 to work with Church. His paper was read to the London Mathematical Society that November. At Princeton, the Institute for Advanced Study still occupied university space; Einstein, von Neumann, and Weyl worked nearby. Mathematical ideas travelled through institutions now also receiving refugees.

Turing completed his doctorate in 1938, on systems of logic based on ordinals. Von Neumann offered him an assistantship. He returned to Cambridge instead.

In 1939 he sought £40 from the Royal Society for a geared machine to investigate the Riemann zeta function. Riemann's hypothesis concerns its nontrivial zeros, asserting that they lie on the line with real part one half. Turing hoped to search for an exception. War interrupted construction, and no components are known to survive.

On September 4, 1939, the day after Britain declared war, he reported to the Government Code and Cypher School at Bletchley Park. He became central to the attack on naval Enigma.

This was collaborative work from the outset. Marian Rejewski, Jerzy Różycki, and Henryk Zygalski had made fundamental Polish breakthroughs during the 1930s. In July 1939 the Poles shared crucial methods and equipment knowledge with British and French colleagues. Turing met Polish cryptanalysts in France in January 1940.

The British bombe grew from Turing's logical design, Gordon Welchman's essential improvement, engineering work, and the labour of operators and analysts. Turing's design work had begun before that January meeting; the visit should not be made the single origin of the machine. Polish achievements were foundational without making the British bombe merely a copied Polish device.

In Hut 8, Turing developed Banburismus, a statistical method for evaluating evidence about naval Enigma settings. Long perforated sheets, printed in Banbury, could be overlaid to inspect coincidences between messages. Logarithmic weights expressed how strongly the evidence favoured an hypothesis, with units called bans and decibans.

Joan Clarke became an expert practitioner. Despite first-class results in Cambridge's mathematical examinations, she could not then receive the degree awarded to male students. At Bletchley she initially encountered clerical classification and low pay; promotion through a “linguist” category produced the absurdity of a language post without a corresponding foreign language. She later became Hut 8's deputy head. GCHQ's account confirms her substantive cryptanalytic role.

Staffing could be as decisive as mathematical invention. On October 21, 1941, Turing, Welchman, Hugh Alexander, and Stuart Milner-Barry appealed directly to Churchill. They needed trained typists, clerks, and naval personnel to operate machines. Shortages left experts doing routine trials and curtailed shifts.

Milner-Barry delivered the letter to Downing Street. Churchill ordered immediate priority for their requirements. The surviving letter and response show an intelligence system depending on apparently ordinary work.

Another cipher system led to another machine. Bill Tutte's analysis of Lorenz traffic and Tommy Flowers's engineering were crucial to Colossus. Max Newman directed the machine-based section. The lecturer whose words had helped prompt Turing's abstract model now organized an entirely different wartime machine operation.

By early 1945, Bletchley and its outstations employed nearly nine thousand people, about three quarters women. Secrecy hid much of their work for decades. Turing's mathematical reputation nevertheless survived independently: ACM named its major award after him in 1966, before the wartime story was widely public.

7. 1950, 1952

After the war, Turing joined the National Physical Laboratory and produced a detailed electronic-computer proposal, the ACE report, presented in 1946. The full machine was not built during his time there. Following leave in Cambridge, he moved to Manchester in 1948, where Frederic Williams, Tom Kilburn, and colleagues had developed working hardware.

No single name can carry the invention of the electronic computer. Turing's contribution is substantial enough without requiring that fiction.

At Manchester he returned to the zeta function. His calculations in 1950, reported in 1953, helped extend verification of the Riemann hypothesis through the first 1,104 nontrivial zeros. They were not the first checking of all those zeros from scratch. His hope, expressed with characteristic contrariness, was to find a counterexample.

The work depended on the machine remaining operational through an unusually long stretch, from mid-afternoon until the next morning. Abstract computation had met unreliable hardware. Andrew Booker's mathematical account explains the significance of Turing's zero-counting method beyond the raw total.

In October 1950, Mind published “Computing Machinery and Intelligence.” Turing began with the question whether machines can think, then proposed replacing a battle over definitions with an imitation game conducted through written exchanges.

The original setup involves an interrogator distinguishing a man from a woman, before a machine is substituted into the arrangement. Later versions simplify or reinterpret that setup. His prediction that an average interrogator might achieve no more than seventy percent correct identification after five minutes was a prediction, not a universal pass mark declaring machines intelligent if they fooled thirty percent of people.

Turing also addressed a mathematical objection: machines have demonstrable limitations, therefore human minds must transcend them. His response separated the established premise from the unsupported inference. Particular machines have limits; no proof had shown that human intelligence is free of analogous limits.

In January 1952, a burglary at his Wilmslow home brought police inquiries into his relationship with Arnold Murray. Turing did not conceal their sexual relationship. Both men were prosecuted under the law criminalizing “gross indecency” between men.

A letter to Norman Routledge, written around February, combined apprehension with bitter logical humour. Turing imagined an invalid syllogism passing from his belief in thinking machines and his relationships with men to the conclusion that machines could not think. His sexual life had no bearing on that mathematical or philosophical question. He feared that public judgment would pretend otherwise.

On March 31 he pleaded guilty. Alexander, a fellow signatory of the wartime appeal, testified to his value to the country. The court imposed twelve months' probation conditional on hormonal treatment; imprisonment was the alternative. Treatment intended to suppress sexual desire continued for a year and caused physical changes.

The conviction barred him from further classified cryptanalytic work. He retained his Manchester position. Scientific work did not cease: in August 1952 the Royal Society published “The Chemical Basis of Morphogenesis.”

There he showed how interacting and diffusing chemical substances could destabilize a nearly uniform state and generate spatial patterns. Diffusion need not always smooth differences away. Under specified conditions, reaction and diffusion together can amplify them. This became a foundational mechanism in mathematical biology, alongside his continuing interest in leaf arrangements and growth.

The prosecution belongs in the life without reducing every subsequent paper to its consequence. He remained an active mathematician subjected to an unjust criminal and medical regime.

8. The Apple That Was Not Tested

A popular story makes Apple's bitten-apple logo a memorial to Turing. Its designer, Rob Janoff, has rejected that account: the bite helped distinguish an apple from a cherry. Resemblance and poignancy are not documentation of an intention.

The real apple appears in the record of Turing's death. On June 8, 1954, his housekeeper found him dead at home. He was forty-one. A partly eaten apple lay nearby. The post-mortem examination identified cyanide poisoning; the inquest concluded that he had died by suicide on June 7. The apple was not chemically tested.

His mother, Sara, rejected the suicide verdict and believed careless handling of laboratory chemicals responsible. She published a biography in 1959 and subsequently gave letters and other papers to King's. These became part of the archive through which later biographers encountered him. King's College displays the relevant records, including the inquest material, the post-mortem report, and her evidence.

Andrew Hodges's 1983 biography brought the mathematics, cryptanalysis, sexuality, prosecution, and death together on an unprecedented scale. Hodges regarded suicide as the most likely explanation. Jack Copeland has argued that the evidence does not exclude an accidental death connected with chemical experiments.

The positions are not interchangeable with established facts. Cyanide poisoning and the contemporary suicide verdict are documented. Turing's final intention is not directly recoverable; the untested apple cannot establish a precise route of exposure. The formal verdict remains suicide, while later historians have disputed how conclusively the surviving evidence determines intention.

An injustice does not need an embellished death story to remain an injustice. Neither certainty about suicide nor certainty about accident is necessary to condemn his prosecution and compulsory treatment.

In 2009, a petition initiated by John Graham-Cumming gathered more than thirty thousand signatures calling for an apology. Gordon Brown issued one on September 10. A posthumous royal pardon followed in December 2013. Legislation in 2017 extended pardons, subject to its conditions, to many others convicted under abolished same-sex offences. Turing's fame should illuminate those other lives, not imply that only exceptional service made persecution wrong.

On June 23, 2021, his birthday, the Bank of England issued the new £50 note bearing his portrait. The bank's announcement identifies both his achievements and his appalling treatment.

In the 1936 paper, the computer was a person with squared paper. The definition extracted one activity: proceeding by finite, explicit rules. It did not purport to include fatigue, affection, originality, or everything else in the person's life.

That extraction allowed mathematics to hand work to machines and to establish limits on what those machines could do. Before proving that something cannot be done mechanically, Turing made “doing it mechanically” precise.

While he developed that account in Cambridge, a group in Paris was creating mathematics under the name of a person who did not exist.

一 计算者

1936年春天,剑桥。国王学院一个二十三岁的年轻研究员,阿兰·图灵,写完了一篇论文,题目的意思是:论可计算数及其在判定问题上的应用。题目里的可计算数,说的是小数可以一位一位算下去的那些数,圆周率就是一个,要多少位,就能算出多少位。五月二十八日,伦敦数学会收到了它。

论文要回答的问题是希尔伯特提出来的,它先回答的却是另一个问题:一个人一步一步算数的时候,到底在做什么。论文里有一台机器,后来它有了名字,名字里带着作者的姓,可是论文头一回写到机器,是拿一个人来比的。

论文说,可以把一个正在计算一个数的人,比作一台只能处在有限几种状况里的机器。往后那一大段分析里,计算者这个词指的就是这个人,用的代词是他。他在纸上算。纸可以设想成分好了格子,像小孩子的算术本。他一眼能看到的格子有个限度。他心里跟这件事有关的状态,也只有有限的几种。他每一步做的事都很小:改动一个格子里的记号,把注意力挪到附近的格子上,换一种心里的状态。

那时候,计算者这个词说的还是人。天文台和编数表的机构里,有成排的人坐在桌前,照着别人定好的规矩一步一步往下算。一个人坐在桌前算数,身上还有很多别的东西:他会累,会灵机一动,会知道自己在算什么。图灵把这些一样一样拿掉,只留下照着规矩往下走的那一截。剩下来的,就是那台机器。

他为什么要这样做,要从八年前说起。

二 一句日常的话

1928年,希尔伯特和阿克曼在一本逻辑教科书里,把一个问题摆到了数理逻辑的正中间。那时候把数学命题写成符号,有一套标准的语言,叫一阶逻辑。问题是:给你任意一句用这套语言写成的话,有没有一个统一的,有限步的机械办法,判定它是不是在任何一种解释下都成立,也就是不管把里面的符号理解成什么,它都对。这就是判定问题,第十八篇开头提过的那个希尔伯特一派的大心愿。那一篇也说过,当时所谓机械的办法,是一套死到不懂数学的人照着做也能做对的规矩。

这个问题有一个麻烦,比它难不难更靠底。要回答"有",拿出一个办法来就行。要回答"没有",就得证明任何办法都不行。可是"任何办法"是什么? 死到谁照着做都能做对,这仍然是日常的说法。只要机械的办法还停在日常的说法里,想否定它,连下手的地方都没有。

在这之前,很多人往"有"那一边做过。1918年伯奈斯已经讨论过命题逻辑的判定, 1921年贝曼专门讲过判定问题,给一些受限制的片段找到了办法。第十八篇里普雷斯伯格那十页纸,也是这一路上的一块。二十年里一块一块的局部成功,让那个一般的问题看上去并不荒唐。

1930年哥德尔的完备性定理又添了一层。它推出来的是:一句话如果真的处处成立,那么把所有的证明一份一份列下去,总有一天能找到它的证明。可是一句话如果并不处处成立,这样找下去,可能永远找不到头,也永远不会停下来告诉你找不到。对的那一边,等得到答案。错的那一边,可能永远在等。会不会停,从这里就成了问题的心脏。

1935年三月,国王学院选图灵当了研究员,他二十二岁。凭的是一篇讲概率的论文,题目是论高斯误差函数。论文里他自己证出了一条定理,做完以后才发现,芬兰的林德伯格1922年已经证过了。学院照样选了他:三年,每年三百镑,包食宿。

那年春天,他去听了马克斯·纽曼讲数学基础的课。课上讲到了哥德尔,也讲到了希尔伯特那个判定问题。纽曼晚年在一次访谈里回忆,他在课上说过,大意是:所谓一个过程能一步一步做出来,意思就是它是一台纯粹机械的机器,他甚至可能说过,一台机器就能做。图灵把这句话接了过去。他没有先去找办法,也没有先去找反例,他先回到那个没有人定义过的词上:机械地做,到底是什么意思。

三 纸带

他给出的定义是这样的:纸变成一条带子,划成一个一个格子,每个格子里可以写一个记号,也可以空着。机器在任何时刻只看着其中一个格子。它自己处在有限多种状态中的某一种。当前的状态,加上它眼下看着的那个记号,一起决定下一步:在这个格子里写上或者擦掉一个记号,往左或者往右挪一格,然后换到另一个状态。所有这样的"如果处在某个状态,看到某个记号,就做某件事",列成一张有限的表。

今天说读写头,说状态,说规则表,都是后来的方便说法。1936年的原文更像是在说一个人正盯着哪一格。可骨架就是这几样:有限的状态,有限的记号,每次只看一小块,按确定的规矩一步一步走。

论文里举的第一台机器,做的事简单得近乎可笑:在带子上隔一格写一个数字,零,一,零,一,永远写下去。它只有四种状态,表只有四行。论文里别的机器,包括最了不起的那一台,说到底也都是这样的一张表。

论文还做了更远的一步。一台机器的那张规则表,本身也可以写成一串记号。于是可以造出一台机器,它读另一台机器的规则表,然后照着那张表,把那台机器会做的事一步一步做出来。这就是通用机器。机器的说明书和交给机器的数据,在这个模型里可以写成同一种记号,说明书也能成为输入。

后来的电子计算机,在这里能看见它逻辑上的祖先。可是1936年的通用机器首先是一个定义,不是一张图纸。它跟1945年以后那些真的用电子管和存储器搭起来的机器,隔着一整段工程史。

这台机器最要紧的地方,不在它能算什么,在它给"机械地计算"这件事造了一个足够精确,可以拿进证明里去的东西。有了它,"任何机械的办法"这句话第一次可以被抓住,被一条一条地检查。一句日常的话,变成了一样可以一件一件数的东西。

四 同一条边界

图灵写这篇论文的时候,大西洋那边已经有人走到了同一个地方。丘奇在普林斯顿,跟学生克莱尼他们一起,从另一个方向逼近了有效计算。他们的工具叫拉姆达演算,一套把函数和代入写成记号的演算。1936年四月,丘奇发表论文,主张把日常所说的可有效计算,跟拉姆达演算里能定义出来的函数认作同一个东西,并由此证明了一个不可解的问题。同一年他又写了一篇很短的文章,把结论直接落到希尔伯特和阿克曼的判定问题上:没有普遍有效的解法。

丘奇把抽印本寄到了剑桥,到的时候,纽曼刚读完图灵的稿子。纽曼给丘奇回了一封信。信里说,那份抽印本对这里一个叫图灵的年轻人,有一种相当痛苦的意味:他正要把一篇论文送去发表,为了同一个目的,用了一个可计算数的定义。纽曼接着写,图灵的办法是描述一台机器,能把任何一个可计算的数列一位一位地磨出来,跟丘奇的很不一样,但看来很有价值,他认为很要紧的一件事,是让这个年轻人第二年到普林斯顿去,跟丘奇一起工作。

这是图灵第二次发现有人先到了。上一次是林德伯格。这一次他没有撤稿,因为两个人给"有效计算"下定义的办法完全不同。他在论文里写明丘奇最近提出了一个定义,说两个定义是等价的,在附录里给出论证,第二年又专门写了一篇,证明他的机器能算的函数,正好就是拉姆达演算能定义的那些函数。差不多同时,美国的波斯特也独立提出了一套很像的东西,他设想一个工人,在一排格子上照着固定的指令做记号,擦记号,左右挪动。

几条互不相干的路,从纸笔计算的人出发的,从函数演算出发的,从递归定义出发的,最后都落在了同一类函数上。后来人把这件事写成一句话,叫丘奇和图灵的论题:凡是按平常的意思,能用完全机械的有效步骤算出来的东西,都能用图灵的机器算出来。它不是一条定理,因为那半句"平常的意思"本来就没有形式化,没法拿来证明。它也不是随便的约定。它的分量来自两处:几条独立的路落在同一条边界上,以及图灵那一段对人怎样用纸笔计算的分析。

1937年,丘奇在一份逻辑期刊上为图灵的论文写了书评。他说几种定义里,图灵这一种的好处,是让它跟平常所说的有效计算之间的对应一眼就看得出来,用不着先证什么预备定理。图灵机这个名字,就是这篇书评第一次用的。书评里还有一句:一个拿着铅笔和纸,手里有明确指示的人,也可以看作一种图灵机。一年以前,这台机器是从一个人身上一样一样拿掉东西才得到的。现在,人被算成了这台机器的一种。

五 反过来

回到图灵那篇论文的后半。有了定义,他就可以去证明一件做不到的事。今天的教科书把他证出来的那个结果整理成一个更干净的样子,起名叫停机问题,讲法是这样的。假定有一台万能的判断机器:你给它任意一台机器的说明书,再给一份输入,它总能说对,那台机器最后会停下来,还是永远不停。然后造一台新机器。它拿到另一台机器的说明书,先去问那台判断机器,再故意反着做:判断说会停,它就永远转下去,判断说不停,它就立刻停下。现在,把这台新机器自己的说明书交给它自己。判断说它会停,它就不停。判断说它不停,它就停。怎么回答都是错的,所以那台万能的判断机器不可能存在。这几步里最要紧的一步,是把一台机器写成一份说明书,交给另一台机器去读,图灵先花那么大的力气把机器定义死,为的就是能走这一步。

1936年原文重点讨论的是另一种问题:一台机器会不会持续产出新的数字。它不等同于现代教材直接提出的停机问题,但可建立相关的不可判定结果,对角线结构也相通。

这个结构,这个系列已经见过两次。第十三篇里康托尔把数排成一张表,在对角线上每一个位置都改一下,造出一个表里没有的数。第十七篇里哥德尔把公式编成数,让一句话去谈自己的可证明性。这里是把机器编成说明书,让一台机器去读自己的说明书,然后在那个位置上反过来。先编号,再让系统拿自己的编号当普通的输入,最后在对角的地方翻一下。对象换了三次,动作是同一个。

从这里往回推一步,就落到了希尔伯特那个问题上:一般的一阶逻辑,没有他要的那种统一的判定办法。读过第十七篇的人会想起哥德尔,可这是另一件事。哥德尔说的是足够强的体系不能又一致又完备,这里说的是,连一阶逻辑本身,也拿不出一台对每一句话都给出答案的机器。丘奇从演算那一边走到了这里,图灵从纸带这一边也走到了这里。1928年那本教科书里摆在正中间的问题,八年以后有了回答,回答是没有。

六 普林斯顿,布莱切利

1936年秋天,图灵去了普林斯顿,跟丘奇读博士。他那篇论文十一月在伦敦宣读,年底印了出来。爱因斯坦所在的高等研究院那时候还没有自己的楼,借住在大学数学系的楼里,匈牙利来的数学家冯诺伊曼,三年前从哥廷根过来的外尔,也都在那栋楼里办公。1938年,图灵拿到博士学位,论文题目的意思是以序数为基础的逻辑系统。冯诺伊曼请他留下来做助手,他没有接受,回了剑桥。

回到剑桥的第二年,他向皇家学会申请了四十镑,要造一台用齿轮的机器。数学里有一个黎曼1859年提出的猜想,到今天还是最有名的未解问题之一。它说的是一个特定的函数,在它等于零的那些地方里,有一大类全都排在同一条直线上。他想用一套齿轮把这个函数一段一段转出来,看有没有哪个等于零的地方落在线外。机器做了一部分,战争就来了。它没有造完,零件一个也没有留下来。

1939年九月四日,英国对德国宣战的第二天,他到布莱切利园的政府密码学校报到,主攻德国海军的恩尼格玛。这件事常被讲成一个人的故事,而它从一开始就不是。1930年代,波兰的雷耶夫斯基,鲁日茨基,佐加尔斯基已经在恩尼格玛上取得了突破。1939年七月,波兰方面在一次三国会晤上把关键的办法和设备知识交给了英法。1940年一月,图灵在法国跟波兰同行见了面,这次会面延续了英波合作;英国炸弹机的设计在这次会面以前已经开始,不能把它的起点归到这一次访问。炸弹机的逻辑设计是图灵提出来的,韦尔奇曼做了极重要的改进,造它的是另一批工程人员,让它变成一条情报流水线的,是大量的操作员和分析员。

图灵自己在八号棚屋里,给海军的密码想出了一套统计的办法。它要用一种长长的薄卡片,二十五厘米高,几米长,在牛津郡一个叫班伯里的镇上印出来,按电报的字母打上孔。两张叠在一起放到灯箱上,光从孔里透过来的地方,就是两份电报碰上了的地方,数一数有多少处,再掂量这个数有多大分量。为了掂量,图灵定了一个衡量证据轻重的单位,就用那个镇的名字来叫。做这套办法的人里只有一个女人,叫琼·克拉克。她在剑桥读数学,两部分考试都是一等,剑桥那时候却不给女人正式的学位。她到了八号棚屋,先被派去做文书,每星期两镑。后来上面想给她加薪,就把她升到语言员那一级,她一门外语也不会。她后来写到这件事,表格上的两栏,大意是:职级,语言员,语言,无。1944年,她当上了八号棚屋的副主管。

1941年秋天,人手跟不上了。十月二十一日,布莱切利园的四个人联名给首相丘吉尔写了一封信,署名是图灵,韦尔奇曼,亚历山大,米尔纳巴里。信里讲的不是数学,是人手,缺的东西小得出奇:二十来个受过训练的打字员,二十来个办事员,还有海军派来操作炸弹机的女兵。人不够,他们只好自己上去试机器,有的夜班已经停了。四个人里挑了米尔纳巴里去送信。他坐火车到伦敦,到了唐宁街十号,门口只有一道木栏和一个警察,他按了门铃,把信交给了首相的议会私人秘书。丘吉尔在信上贴了一张红标签,印着今日即办,批给他的军事参谋伊斯梅,大意是:务必以最优先的级别满足他们的一切需要,办妥以后回报。

另一种德国密码是另一条线:破开它的关键一步出自塔特,电子的巨人机是弗劳尔斯和邮政系统的工程师造的,用这些机器的那个部门由纽曼主持,就是1935年在剑桥讲数学基础的那一位。

战后这些事很长时间里谁都不能说。1945年一月,布莱切利园连同外站将近九千人,四分之三是女人,人人签过保密的法令,有的人几十年里连丈夫也没有告诉过。图灵自己有两篇战时密码论文,到2012年才转进公开档案。可是在他本来那一行里,他没有被忘掉。1966年,美国计算机协会设立了这一行最重要的奖,用的就是他的名字。那时候知道他战时在做什么的人,还没有几个。

七 一九五〇,一九五二

战后他去了国家物理实验室, 1946年二月交出了一台电子计算机的详细设计。完整的那台没有在他任内造成, 1947年底他回剑桥休了一年假, 1948年去了曼彻斯特大学,那里的机器,硬件出自威廉姆斯和基尔伯恩他们。谁发明了电子计算机,没有一个名字能单独扛下来。

1950年,他在曼彻斯特的机器上,把战前那件没做完的事捡了起来,去算黎曼那个函数等于零的地方。他在后来的论文里说,做这些计算,是抱着一个乐观的希望,盼着能找到一个不在那条直线上的。这些计算把黎曼猜想的数值核验推进到前一千一百零四个非平凡零点;并不是这批零点都由他第一次从头算出。他还记了一笔:那台机器难得地从一天下午三点一直好用到第二天早上八点,要不是这样,这些计算大概根本做不成。

同一年十月,他在哲学期刊《心灵》上发表了一篇文章,开头就问:机器能思考吗。他不打算先给这两个词下定义,而是把问题换成一个游戏:一个提问的人隔开坐着,只靠写字问答,去猜另外两个人里哪个是男人哪个是女人,然后让一台机器替进其中一个位置。今天流行的说法,说骗过三成的人就算有智能,文章里没有这样一条及格线。那一段是一个预测:大约五十年以后,普通的提问者问上五分钟,认对的机会不会超过七成。

文章里还有一节反对意见,来自数学,理由正是他自己1936年证出来的那一类结果:任何一台机器都有它答不了的问题,所以机器比不上人。第十七篇里提过的那句"哥德尔证明了机器不能像人一样思考",图灵在1950年就当面碰上了。他的回答很短:任何一台特定的机器有它的局限,这是证明了的,可是说人的智力没有这种局限,只是说出来了,没有任何证明。

1952年一月,他在曼彻斯特附近威姆斯洛的家被盗。警察来调查,问到他跟一个叫阿诺德·默里的年轻人的关系,图灵没有隐瞒两个人的性关系。结果两个人都被起诉,罪名是男性之间的严重猥亵,依据是《1885年刑法修正法》第十一条。

二月,他给国王学院的一个年轻朋友,数学家诺曼·劳特利奇写了一封信,大意是他惹上了那种一直觉得很可能落到自己头上的麻烦,虽然他平常估计,不发生的可能是发生的十倍。信的末尾有三行,排成一个三段论的样子:图灵相信机器会思考。图灵与男人同寝。所以机器不会思考。落款是:身陷困境的阿兰。

三月三十一日,柴郡的季审法院审理此案,图灵按律师和家人的意见认了罪。庭上有一个证人为他说话:政府密码机构的密码分析负责人休·亚历山大获准出庭作品格证明,对法庭说,他是国家的一笔财富。十一年前在给首相那封信上签名的四个人里,就有亚历山大。图灵得到的处分是十二个月的缓刑察看,附带一个条件:接受医生安排的激素治疗,用来降低性欲。他面前的另一个选项是坐牢。治疗持续了一年,在他身上留下了看得见的变化。

定罪以后,他不能再为政府做机密的密码工作。英国情报机构对同性恋者的安全禁令,一直延续到1991年。他没有丢掉曼彻斯特大学的职位。1952年八月十四日,定罪四个半月以后,皇家学会的刊物印出了他的《形态发生的化学基础》。他考虑几种会互相反应,又会在组织里扩散的化学物质,在一定条件下,扩散不是把一切抹平,反而会让一个几乎均匀的状态自己失稳,长出斑点和条纹。后来讲生物身上这类花纹的一整套理论,就从这篇文章来。叶子怎样绕着茎排列,他也一直在算。

八 一只没有化验过的苹果

今天很多人相信,那家电脑公司的标志,那只缺了一口的苹果,是为了纪念图灵。设计那个标志的人后来在访谈里说,缺的那一口是为了让人一眼看出它是苹果,不是樱桃,跟图灵没有关系。

那只苹果的故事,来自1954年六月。六月八日,管家在威姆斯洛的家里发现了图灵的遗体,他四十一岁。床边的小桌上有半个苹果,咬过几口。尸检认定他前一天已经死亡,死因是氰化物中毒,死因调查的正式结论是自杀。那只苹果没有被化验过。

图灵的母亲萨拉那时候在意大利度假,死因调查开过以后才赶回来。她从一开始就不接受自杀的结论,认为是儿子放化学药品太不小心。1959年,她为儿子写了一本传记。第二年,她把儿子写给她的几十封信和一批材料交给了国王学院。

后来写他的人,很多是从这些纸读起的。1983年霍奇斯出了一部很厚的传记,头一回在一部大传记里,把他的数学,他的密码工作,他的性取向,他的定罪和他的死放在一起,书里认为自杀是最可能的解释。支持自杀的,最强的一条是当年那个正式裁定:他家里因为做化学实验存着氰化物,调查者把毒物,现场和死亡的方式放在一起,判为自杀。另一边,科普兰重新审查过这些材料:图灵当时正在家里做用到氰化物的电镀实验,苹果从来没有化验,还有材料显示他在安排往后的工作。他的看法是,现有的证据不足以排除意外。

所以能说定的是这些:他死于氰化物中毒, 1954年的死因调查裁定为自杀,科普兰那样的重新审查,对能不能排除实验意外提出了实在的疑问。当年的正式裁定仍是自杀;后来的研究者对现有证据能否完全排除意外存在争议,不能据此把任一种意图说成已经直接得到证明。

2009年八月,英国程序员约翰·格雷厄姆卡明发起请愿,要政府为当年对图灵的起诉道歉,签名的超过三万人。九月十日,首相布朗代表政府公开道歉。声明里说,他所受的对待当然是极不公平的,他被这样不人道地对待,更让人震惊,最后一句是:对不起,你本应得到好得多的对待。2013年十二月,女王以王室赦免特权给了他死后的赦免。2017年的一部法律,把赦免扩大到大量按已经废除的同性性行为罪名被定过罪的人,媒体管它叫图灵法。2021年六月二十三日,他生日那天,英格兰银行开始发行印着他肖像的五十镑钞票。

1936年那篇论文里,计算者是一个坐在算术本前面的人。定义只取了他按规矩一步步往下做的那一段,他的疲倦和灵机一动,在定义里本来就没有位置。从那以后,什么算得出来,什么原则上算不出来,可以由同一个严格的定义来裁决。十四年以后,曼彻斯特那台机器从下午三点算到第二天早上八点,替人做的正是那一段。数学把自己的一部分交给了机器,也替机器划出了它到不了的地方。

要证明一件事做不到,先得把"做"说清楚。

1936年图灵在剑桥写那篇论文的时候,巴黎已经有一群年轻的数学家,在用一个并不存在的人的名字发表东西。

数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。

一 計算者

1936年春天,劍橋。國王學院一個二十三歲的年輕研究員,阿蘭·圖靈,寫完了一篇論文,題目的意思是:論可計算數及其在判定問題上的應用。題目裡的可計算數,說的是小數可以一位一位算下去的那些數,圓周率就是一個,要多少位,就能算出多少位。五月二十八日,倫敦數學會收到了它。

論文要回答的問題是希爾伯特提出來的,它先回答的卻是另一個問題:一個人一步一步算數的時候,到底在做什麼。論文裡有一台機器,後來它有了名字,名字裡帶著作者的姓,可是論文頭一回寫到機器,是拿一個人來比的。

論文說,可以把一個正在計算一個數的人,比作一台只能處在有限幾種狀況里的機器。往後那一大段分析裡,計算者這個詞指的就是這個人,用的代詞是他。他在紙上算。紙可以設想成分好了格子,像小孩子的算術本。他一眼能看到的格子有個限度。他心裡跟這件事有關的狀態,也只有有限的幾種。他每一步做的事都很小:改動一個格子裡的記號,把注意力挪到附近的格子上,換一種心裡的狀態。

那時候,計算者這個詞說的還是人。天文台和編數表的機構裡,有成排的人坐在桌前,照著別人定好的規矩一步一步往下算。一個人坐在桌前算數,身上還有很多別的東西:他會累,會靈機一動,會知道自己在算什麼。圖靈把這些一樣一樣拿掉,只留下照著規矩往下走的那一截。剩下來的,就是那台機器。

他為什麼要這樣做,要從八年前說起。

二 一句日常的話

1928年,希爾伯特和阿克曼在一本邏輯教科書裡,把一個問題擺到了數理邏輯的正中間。那時候把數學命題寫成符號,有一套標準的語言,叫一階邏輯。問題是:給你任意一句用這套語言寫成的話,有沒有一個統一的,有限步的機械辦法,判定它是不是在任何一種解釋下都成立,也就是不管把裡面的符號理解成什麼,它都對。這就是判定問題,第十八篇開頭提過的那個希爾伯特一派的大心願。那一篇也說過,當時所謂機械的辦法,是一套死到不懂數學的人照著做也能做對的規矩。

這個問題有一個麻煩,比它難不難更靠底。要回答"有",拿出一個辦法來就行。要回答"沒有",就得證明任何辦法都不行。可是"任何辦法"是什麼? 死到誰照著做都能做對,這仍然是日常的說法。只要機械的辦法還停在日常的說法里,想否定它,連下手的地方都沒有。

在這之前,很多人往"有"那一邊做過。1918年伯奈斯已經討論過命題邏輯的判定, 1921年貝曼專門講過判定問題,給一些受限制的片段找到了辦法。第十八篇裡普雷斯伯格那十頁紙,也是這一路上的一塊。二十年裡一塊一塊的局部成功,讓那個一般的問題看上去並不荒唐。

1930年哥德爾的完備性定理又添了一層。它推出來的是:一句話如果真的處處成立,那麼把所有的證明一份一份列下去,總有一天能找到它的證明。可是一句話如果並不處處成立,這樣找下去,可能永遠找不到頭,也永遠不會停下來告訴你找不到。對的那一邊,等得到答案。錯的那一邊,可能永遠在等。會不會停,從這裡就成了問題的心臟。

1935年三月,國王學院選圖靈當了研究員,他二十二歲。憑的是一篇講概率的論文,題目是論高斯誤差函數。論文裡他自己證出了一條定理,做完以後才發現,芬蘭的林德伯格1922年已經證過了。學院照樣選了他:三年,每年三百鎊,包食宿。

那年春天,他去聽了馬克斯·紐曼講數學基礎的課。課上講到了哥德爾,也講到了希爾伯特那個判定問題。紐曼晚年在一次訪談里回憶,他在課上說過,大意是:所謂一個過程能一步一步做出來,意思就是它是一台純粹機械的機器,他甚至可能說過,一台機器就能做。圖靈把這句話接了過去。他沒有先去找辦法,也沒有先去找反例,他先回到那個沒有人定義過的詞上:機械地做,到底是什麼意思。

三 紙帶

他給出的定義是這樣的:紙變成一條帶子,划成一個一個格子,每個格子裡可以寫一個記號,也可以空著。機器在任何時刻只看著其中一個格子。它自己處在有限多種狀態中的某一種。當前的狀態,加上它眼下看著的那個記號,一起決定下一步:在這個格子裡寫上或者擦掉一個記號,往左或者往右挪一格,然後換到另一個狀態。所有這樣的"如果處在某個狀態,看到某個記號,就做某件事",列成一張有限的表。

今天說讀寫頭,說狀態,說規則表,都是後來的方便說法。1936年的原文更像是在說一個人正盯著哪一格。可骨架就是這幾樣:有限的狀態,有限的記號,每次只看一小塊,按確定的規矩一步一步走。

論文裡舉的第一台機器,做的事簡單得近乎可笑:在帶子上隔一格寫一個數字,零,一,零,一,永遠寫下去。它只有四種狀態,表只有四行。論文裡別的機器,包括最了不起的那一台,說到底也都是這樣的一張表。

論文還做了更遠的一步。一台機器的那張規則表,本身也可以寫成一串記號。於是可以造出一台機器,它讀另一台機器的規則表,然後照著那張表,把那台機器會做的事一步一步做出來。這就是通用機器。機器的說明書和交給機器的數據,在這個模型里可以寫成同一種記號,說明書也能成為輸入。

後來的電子計算機,在這裡能看見它邏輯上的祖先。可是1936年的通用機器首先是一個定義,不是一張圖紙。它跟1945年以後那些真的用電子管和存儲器搭起來的機器,隔著一整段工程史。

這台機器最要緊的地方,不在它能算什麼,在它給"機械地計算"這件事造了一個足夠精確,可以拿進證明裡去的東西。有了它,"任何機械的辦法"這句話第一次可以被抓住,被一條一條地檢查。一句日常的話,變成了一樣可以一件一件數的東西。

四 同一條邊界

圖靈寫這篇論文的時候,大西洋那邊已經有人走到了同一個地方。丘奇在普林斯頓,跟學生克萊尼他們一起,從另一個方向逼近了有效計算。他們的工具叫拉姆達演算,一套把函數和代入寫成記號的演算。1936年四月,丘奇發表論文,主張把日常所說的可有效計算,跟拉姆達演算里能定義出來的函數認作同一個東西,並由此證明了一個不可解的問題。同一年他又寫了一篇很短的文章,把結論直接落到希爾伯特和阿克曼的判定問題上:沒有普遍有效的解法。

丘奇把抽印本寄到了劍橋,到的時候,紐曼剛讀完圖靈的稿子。紐曼給丘奇回了一封信。信裡說,那份抽印本對這裡一個叫圖靈的年輕人,有一種相當痛苦的意味:他正要把一篇論文送去發表,為了同一個目的,用了一個可計算數的定義。紐曼接著寫,圖靈的辦法是描述一台機器,能把任何一個可計算的數列一位一位地磨出來,跟丘奇的很不一樣,但看來很有價值,他認為很要緊的一件事,是讓這個年輕人第二年到普林斯頓去,跟丘奇一起工作。

這是圖靈第二次發現有人先到了。上一次是林德伯格。這一次他沒有撤稿,因為兩個人給"有效計算"下定義的辦法完全不同。他在論文裡寫明丘奇最近提出了一個定義,說兩個定義是等價的,在附錄里給出論證,第二年又專門寫了一篇,證明他的機器能算的函數,正好就是拉姆達演算能定義的那些函數。差不多同時,美國的波斯特也獨立提出了一套很像的東西,他設想一個工人,在一排格子上照著固定的指令做記號,擦記號,左右挪動。

幾條互不相干的路,從紙筆計算的人出發的,從函數演算出發的,從遞歸定義出發的,最後都落在了同一類函數上。後來人把這件事寫成一句話,叫丘奇和圖靈的論題:凡是按平常的意思,能用完全機械的有效步驟算出來的東西,都能用圖靈的機器算出來。它不是一條定理,因為那半句"平常的意思"本來就沒有形式化,沒法拿來證明。它也不是隨便的約定。它的分量來自兩處:幾條獨立的路落在同一條邊界上,以及圖靈那一段對人怎樣用紙筆計算的分析。

1937年,丘奇在一份邏輯期刊上為圖靈的論文寫了書評。他說幾種定義裡,圖靈這一種的好處,是讓它跟平常所說的有效計算之間的對應一眼就看得出來,用不著先證什麼預備定理。圖靈機這個名字,就是這篇書評第一次用的。書評里還有一句:一個拿著鉛筆和紙,手裡有明確指示的人,也可以看作一種圖靈機。一年以前,這台機器是從一個人身上一樣一樣拿掉東西才得到的。現在,人被算成了這台機器的一種。

五 反過來

回到圖靈那篇論文的後半。有了定義,他就可以去證明一件做不到的事。今天的教科書把他證出來的那個結果整理成一個更乾淨的樣子,起名叫停機問題,講法是這樣的。假定有一台萬能的判斷機器:你給它任意一台機器的說明書,再給一份輸入,它總能說對,那台機器最後會停下來,還是永遠不停。然後造一台新機器。它拿到另一台機器的說明書,先去問那台判斷機器,再故意反著做:判斷說會停,它就永遠轉下去,判斷說不停,它就立刻停下。現在,把這台新機器自己的說明書交給它自己。判斷說它會停,它就不停。判斷說它不停,它就停。怎麼回答都是錯的,所以那台萬能的判斷機器不可能存在。這幾步里最要緊的一步,是把一台機器寫成一份說明書,交給另一台機器去讀,圖靈先花那麼大的力氣把機器定義死,為的就是能走這一步。

1936年原文重點討論的是另一種問題:一台機器會不會持續產出新的數字。它不等同於現代教材直接提出的停機問題,但可建立相關的不可判定結果,對角線結構也相通。

這個結構,這個系列已經見過兩次。第十三篇裡康托爾把數排成一張表,在對角線上每一個位置都改一下,造出一個表裡沒有的數。第十七篇裡哥德爾把公式編成數,讓一句話去談自己的可證明性。這裡是把機器編成說明書,讓一台機器去讀自己的說明書,然後在那個位置上反過來。先編號,再讓系統拿自己的編號當普通的輸入,最後在對角的地方翻一下。對象換了三次,動作是同一個。

從這裡往回推一步,就落到了希爾伯特那個問題上:一般的一階邏輯,沒有他要的那種統一的判定辦法。讀過第十七篇的人會想起哥德爾,可這是另一件事。哥德爾說的是足夠強的體系不能又一致又完備,這裡說的是,連一階邏輯本身,也拿不出一台對每一句話都給出答案的機器。丘奇從演算那一邊走到了這裡,圖靈從紙帶這一邊也走到了這裡。1928年那本教科書裡擺在正中間的問題,八年以後有了回答,回答是沒有。

六 普林斯頓,布萊切利

1936年秋天,圖靈去了普林斯頓,跟丘奇讀博士。他那篇論文十一月在倫敦宣讀,年底印了出來。愛因斯坦所在的高等研究院那時候還沒有自己的樓,借住在大學數學系的樓裡,匈牙利來的數學家馮諾伊曼,三年前從哥廷根過來的外爾,也都在那棟樓裡辦公。1938年,圖靈拿到博士學位,論文題目的意思是以序數為基礎的邏輯系統。馮諾伊曼請他留下來做助手,他沒有接受,回了劍橋。

回到劍橋的第二年,他向皇家學會申請了四十鎊,要造一台用齒輪的機器。數學裡有一個黎曼1859年提出的猜想,到今天還是最有名的未解問題之一。它說的是一個特定的函數,在它等於零的那些地方里,有一大類全都排在同一條直線上。他想用一套齒輪把這個函數一段一段轉出來,看有沒有哪個等於零的地方落在線外。機器做了一部分,戰爭就來了。它沒有造完,零件一個也沒有留下來。

1939年九月四日,英國對德國宣戰的第二天,他到布萊切利園的政府密碼學校報到,主攻德國海軍的恩尼格瑪。這件事常被講成一個人的故事,而它從一開始就不是。1930年代,波蘭的雷耶夫斯基,魯日茨基,佐加爾斯基已經在恩尼格瑪上取得了突破。1939年七月,波蘭方面在一次三國會晤上把關鍵的辦法和設備知識交給了英法。1940年一月,圖靈在法國跟波蘭同行見了面,這次會面延續了英波合作;英國炸彈機的設計在這次會面以前已經開始,不能把它的起點歸到這一次訪問。炸彈機的邏輯設計是圖靈提出來的,韋爾奇曼做了極重要的改進,造它的是另一批工程人員,讓它變成一條情報流水線的,是大量的操作員和分析員。

圖靈自己在八號棚屋裡,給海軍的密碼想出了一套統計的辦法。它要用一種長長的薄卡片,二十五釐米高,幾米長,在牛津郡一個叫班伯里的鎮上印出來,按電報的字母打上孔。兩張疊在一起放到燈箱上,光從孔里透過來的地方,就是兩份電報碰上了的地方,數一數有多少處,再掂量這個數有多大分量。為了掂量,圖靈定了一個衡量證據輕重的單位,就用那個鎮的名字來叫。做這套辦法的人里只有一個女人,叫瓊·克拉克。她在劍橋讀數學,兩部分考試都是一等,劍橋那時候卻不給女人正式的學位。她到了八號棚屋,先被派去做文書,每星期兩鎊。後來上面想給她加薪,就把她升到語言員那一級,她一門外語也不會。她後來寫到這件事,表格上的兩欄,大意是:職級,語言員,語言,無。1944年,她當上了八號棚屋的副主管。

1941年秋天,人手跟不上了。十月二十一日,布萊切利園的四個人聯名給首相丘吉爾寫了一封信,署名是圖靈,韋爾奇曼,亞歷山大,米爾納巴里。信裡講的不是數學,是人手,缺的東西小得出奇:二十來個受過訓練的打字員,二十來個辦事員,還有海軍派來操作炸彈機的女兵。人不夠,他們只好自己上去試機器,有的夜班已經停了。四個人里挑了米爾納巴里去送信。他坐火車到倫敦,到了唐寧街十號,門口只有一道木欄和一個警察,他按了門鈴,把信交給了首相的議會私人秘書。丘吉爾在信上貼了一張紅標籤,印著今日即辦,批給他的軍事參謀伊斯梅,大意是:務必以最優先的級別滿足他們的一切需要,辦妥以後回報。

另一種德國密碼是另一條線:破開它的關鍵一步出自塔特,電子的巨人機是弗勞爾斯和郵政系統的工程師造的,用這些機器的那個部門由紐曼主持,就是1935年在劍橋講數學基礎的那一位。

戰後這些事很長時間裡誰都不能說。1945年一月,布萊切利園連同外站將近九千人,四分之三是女人,人人簽過保密的法令,有的人幾十年裡連丈夫也沒有告訴過。圖靈自己有兩篇戰時密碼論文,到2012年才轉進公開檔案。可是在他本來那一行裡,他沒有被忘掉。1966年,美國計算機協會設立了這一行最重要的獎,用的就是他的名字。那時候知道他戰時在做什麼的人,還沒有幾個。

七 一九五〇,一九五二

戰後他去了國家物理實驗室, 1946年二月交出了一台電子計算機的詳細設計。完整的那台沒有在他任內造成, 1947年底他回劍橋休了一年假, 1948年去了曼徹斯特大學,那裡的機器,硬體出自威廉姆斯和基爾伯恩他們。誰發明了電子計算機,沒有一個名字能單獨扛下來。

1950年,他在曼徹斯特的機器上,把戰前那件沒做完的事撿了起來,去算黎曼那個函數等於零的地方。他在後來的論文裡說,做這些計算,是抱著一個樂觀的希望,盼著能找到一個不在那條直線上的。這些計算把黎曼猜想的數值核驗推進到前一千一百零四個非平凡零點;並不是這批零點都由他第一次從頭算出。他還記了一筆:那台機器難得地從一天下午三點一直好用到第二天早上八點,要不是這樣,這些計算大概根本做不成。

同一年十月,他在哲學期刊《心靈》上發表了一篇文章,開頭就問:機器能思考嗎。他不打算先給這兩個詞下定義,而是把問題換成一個遊戲:一個提問的人隔開坐著,只靠寫字問答,去猜另外兩個人里哪個是男人哪個是女人,然後讓一台機器替進其中一個位置。今天流行的說法,說騙過三成的人就算有智能,文章裡沒有這樣一條及格線。那一段是一個預測:大約五十年以後,普通的提問者問上五分鐘,認對的機會不會超過七成。

文章裡還有一節反對意見,來自數學,理由正是他自己1936年證出來的那一類結果:任何一台機器都有它答不了的問題,所以機器比不上人。第十七篇裡提過的那句"哥德爾證明了機器不能像人一樣思考",圖靈在1950年就當面碰上了。他的回答很短:任何一台特定的機器有它的局限,這是證明了的,可是說人的智力沒有這種局限,只是說出來了,沒有任何證明。

1952年一月,他在曼徹斯特附近威姆斯洛的家被盜。警察來調查,問到他跟一個叫阿諾德·默里的年輕人的關係,圖靈沒有隱瞞兩個人的性關係。結果兩個人都被起訴,罪名是男性之間的嚴重猥褻,依據是《1885年刑法修正法》第十一條。

二月,他給國王學院的一個年輕朋友,數學家諾曼·勞特利奇寫了一封信,大意是他惹上了那種一直覺得很可能落到自己頭上的麻煩,雖然他平常估計,不發生的可能是發生的十倍。信的末尾有三行,排成一個三段論的樣子:圖靈相信機器會思考。圖靈與男人同寢。所以機器不會思考。落款是:身陷困境的阿蘭。

三月三十一日,柴郡的季審法院審理此案,圖靈按律師和家人的意見認了罪。庭上有一個證人為他說話:政府密碼機構的密碼分析負責人休·亞歷山大獲准出庭作品格證明,對法庭說,他是國家的一筆財富。十一年前在給首相那封信上簽名的四個人里,就有亞歷山大。圖靈得到的處分是十二個月的緩刑察看,附帶一個條件:接受醫生安排的激素治療,用來降低性慾。他面前的另一個選項是坐牢。治療持續了一年,在他身上留下了看得見的變化。

定罪以後,他不能再為政府做機密的密碼工作。英國情報機構對同性戀者的安全禁令,一直延續到1991年。他沒有丟掉曼徹斯特大學的職位。1952年八月十四日,定罪四個半月以後,皇家學會的刊物印出了他的《形態發生的化學基礎》。他考慮幾種會互相反應,又會在組織裡擴散的化學物質,在一定條件下,擴散不是把一切抹平,反而會讓一個幾乎均勻的狀態自己失穩,長出斑點和條紋。後來講生物身上這類花紋的一整套理論,就從這篇文章來。葉子怎樣繞著莖排列,他也一直在算。

八 一隻沒有化驗過的蘋果

今天很多人相信,那家電腦公司的標誌,那只缺了一口的蘋果,是為了紀念圖靈。設計那個標誌的人後來在訪談里說,缺的那一口是為了讓人一眼看出它是蘋果,不是櫻桃,跟圖靈沒有關係。

那只蘋果的故事,來自1954年六月。六月八日,管家在威姆斯洛的家裡發現了圖靈的遺體,他四十一歲。床邊的小桌上有半個蘋果,咬過幾口。屍檢認定他前一天已經死亡,死因是氰化物中毒,死因調查的正式結論是自殺。那只蘋果沒有被化驗過。

圖靈的母親薩拉那時候在意大利度假,死因調查開過以後才趕回來。她從一開始就不接受自殺的結論,認為是兒子放化學藥品太不小心。1959年,她為兒子寫了一本傳記。第二年,她把兒子寫給她的幾十封信和一批材料交給了國王學院。

後來寫他的人,很多是從這些紙讀起的。1983年霍奇斯出了一部很厚的傳記,頭一回在一部大傳記裡,把他的數學,他的密碼工作,他的性取向,他的定罪和他的死放在一起,書裡認為自殺是最可能的解釋。支持自殺的,最強的一條是當年那個正式裁定:他家裡因為做化學實驗存著氰化物,調查者把毒物,現場和死亡的方式放在一起,判為自殺。另一邊,科普蘭重新審查過這些材料:圖靈當時正在家裡做用到氰化物的電鍍實驗,蘋果從來沒有化驗,還有材料顯示他在安排往後的工作。他的看法是,現有的證據不足以排除意外。

所以能說定的是這些:他死於氰化物中毒, 1954年的死因調查裁定為自殺,科普蘭那樣的重新審查,對能不能排除實驗意外提出了實在的疑問。當年的正式裁定仍是自殺;後來的研究者對現有證據能否完全排除意外存在爭議,不能據此把任一種意圖說成已經直接得到證明。

2009年八月,英國程序員約翰·格雷厄姆卡明發起請願,要政府為當年對圖靈的起訴道歉,簽名的超過三萬人。九月十日,首相布朗代表政府公開道歉。聲明裡說,他所受的對待當然是極不公平的,他被這樣不人道地對待,更讓人震驚,最後一句是:對不起,你本應得到好得多的對待。2013年十二月,女王以王室赦免特權給了他死後的赦免。2017年的一部法律,把赦免擴大到大量按已經廢除的同性性行為罪名被定過罪的人,媒體管它叫圖靈法。2021年六月二十三日,他生日那天,英格蘭銀行開始發行印著他肖像的五十鎊鈔票。

1936年那篇論文裡,計算者是一個坐在算術本前面的人。定義只取了他按規矩一步步往下做的那一段,他的疲倦和靈機一動,在定義裡本來就沒有位置。從那以後,什麼算得出來,什麼原則上算不出來,可以由同一個嚴格的定義來裁決。十四年以後,曼徹斯特那台機器從下午三點算到第二天早上八點,替人做的正是那一段。數學把自己的一部分交給了機器,也替機器划出了它到不了的地方。

要證明一件事做不到,先得把"做"說清楚。

1936年圖靈在劍橋寫那篇論文的時候,巴黎已經有一群年輕的數學家,在用一個並不存在的人的名字發表東西。

數還在往下算,而什麼算數學,還沒有算清楚過。

Sources and further reading史料与延伸阅读史料與延伸閱讀

Selected references for historical details and interpretive disputes. Museum records, ancient literary accounts and modern reconstructions do not carry the same kind of evidence.

以下资料对应文中的历史细节与解释分歧。馆藏记录、古代文学与现代重建,不是同一种证据。

以下資料對應文中的歷史細節與解釋分歧。館藏記錄、古代文學與現代重建,不是同一種證據。