人工智能的本质 之二 图灵机 电脑 以及人脑

    讨论智能的本质，图灵机是无法回避的问题。图灵在很早的时候就旗帜鲜明的表示了图灵机的模型就是智能的本质，而人脑无非只是这种模型或者类似这种模型的一个具体实现而已。

    同时代的冯诺依曼却不这样认为。冯诺依曼这个人很重要，在这篇文章后面还会提到。
   
    其实我想很多人或多或少都听说过图灵机是什么，学过计算理论的人更是很清楚。

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    本质上来说，这是一个图灵脑子里拍出来的某种非常笨拙的机器。我们可以用脑子和纸笔一步一步去模拟这个机器。

    我无意在这里去严格的定义图灵机。

👄🎢🥭🚷🐤‎    这个机器大致上来说是一条无限长的带子，被分成了无限个格子。有有限个字符，如果为了理解方便我们可以说只有0和1两个字符，这并不影响图灵机的实际功能。这台机器能做的事情就下面几件：

   
    往当前格子里写入一个符号
    读取当前格子上的符号

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    把当前格子上的符号擦了
    往左移一格（但是不能移出起始位置）
    往右移一格
   
    这些看似简单的步骤实际上的意义却是复杂的。我们可以写出一个做加法的图灵机，也能写出一个可以打印“Hello world”的图灵机。这东西看起来和程序猿平时干得活很像。没错，这样的每个图灵机其实可以理解成为我们每天写的每个程序。
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    但是图灵的贡献并没有停止于此。图灵说，我们可以对这个世界上的所有存在的图灵机以某种方式进行编码，当然编码以后如果说字符表还是0和1的话是一长串的0和1. 然后这个编码后的序列可以输入到一台非常特殊的图灵机中，在论文里被成为universal 图灵机。

    有中文翻译成普适图灵机，只是我觉得名字有点怪，所以我这里保留英文。这台图灵机可以处理这个编码后的序列，然后完成被编码的图灵机要做的事情。听起来非常的美妙，一台机器顶一百万台。

🤳⛴🍪⁉🦟‎    这东西我们程序猿也很熟悉，不就是每天用的电脑么。人天天给电脑喂不同的程序，然后电脑就按照人喂的程序干应该干的事情。但凡有bug都是人的问题不是电脑的问题。

    图灵的其他贡献还包括他PK了所有和他同时代的其他各种机，然后证明没有一个是比他这个图灵机更强大的。PK下来，图灵机以它的简洁和强大成为了现在计算理论研究的基石。

    至于其他的各种各样的机都渣渣了。🧑‍🎤‌🥼🪣😇👂

    举个例子来说，我们每个人人见人恨的正则表达式，就对应一种功能更弱的机，有限状态机。

    提到了这个，插个广告，有两个人，一个是Church。但凡叫教堂的都很牛，这位做了图灵的导师，自己又提出了lambda calculus。这个东西被图灵证明和他的图灵机等价，但是还活着，成为了今天各种functional programming的基础。
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    functional programming在最近几年突然很火了，大行其道。我不是反对这个，但是我觉得多少有点走火入魔了。譬如说Twitter好好的一个公司，非要选了Clojure去写Storm，弄得好好的一个软件，被阿里巴巴用Java重写一遍以后，整个开源社区都被阿里巴巴主导了。

    另外一位Emil Post的命运就比较悲惨一些。然而他做出的一些杰出贡献对于我们探讨智能是什么有着重要的意义，我就先不介绍他的人生，留个尾巴。在后续的章节里会提到他。

    图灵还有一个贡献，就是图灵机的停机问题的证明。这个贡献很伟大也很重要，但是要谈这个需要很多的背景知识，这篇文章的篇幅已经很长，我想保留到下一节来单独谈这个问题。

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    在数学上，很多的发明并没有立刻影响世界。譬如说矩阵早就搞出来了，只有到了海森堡搞了个矩阵力学的时候才开始咔咔咔的对世界宣布矩阵有它实在的意义。当然今天的数学，没有矩阵是很难想象的。

    图灵机这个东西出来的时间比较巧，正好赶上了二战。二战里重要的一件事情就是密码的解密，这促使大量的人才都在如何自动化这个过程上花费了很多时间精力，包括图灵。加之电子管技术的发展，以及后来晶体管的出现，人类找到了硅这样一奇葩的半导体。
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    一切都促成了一件事情，用我们掌握的物理化学和材料，把universal 图灵机在现实里造出来。这样，按照这个模型，这个笨拙的但是又非常能干的东西，就可以替我们人类干很多活。
   
    倘若我们回忆计算机的基础课程，数字电路到计算机组成到体系结构是讨论硬件的，下面无非是与非或各种门。这些东西的基础是布尔代数。所以现在的计算机基本上可以概括成人类用了布尔代数作为数学基础，使用了硅这样的半导体在物理层面上做出了可以识别的二进制字符表，然后在上面搭了一台不是无限长度带子的universal 图灵机。
   
    图灵被英国政府邀请参加去造机器。但是理论的天才并没有在实际上起到多大作用。英国的计算机计划很快搁浅了。而美国的一个队伍在大数学家冯诺依曼的带领下却成功的做出了计算机。冯诺依曼提出的冯诺依曼结构，基本思想是在硬件上处理和存储要分开，指令和数据使用同一个存储器，在程序控制下统一工作。这一点和图灵机来说有很不一样的地方。

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    在冯诺依曼的体系里面，系统本身并没有改变程序指令的能力，而图灵机可以任意写和读任何的东西，包括去改变作为编码的其他图灵机的实际编码。这是很多人说现在电脑不具备智能，因为它不具备自己改变自己的能力。

    说了很多电脑，我们回头看看人脑。我不是人脑科学专家，所以我所知道的人脑相关的知识主要来源于各种阅读，谬误难免。简单来说大脑是我们对信息处理的场所。大脑分为后脑中脑前脑，在胚胎发育中一次出现，越晚出现的处理的能力越高层次，所以一般来说我们感官的信号先进入后脑，最后才到前脑。

👀⛵🍟🔞🐖‍    大脑有一种神奇的特征，右脑基本上是管了左边的而左脑基本上是管了右边的身体。嗅觉是少数的例外。人类对人脑的神经信号传导研究来看，起码人脑并非是工作在二进制的状态。
   
    很重要的一点，每个脑细胞在人脑中扮演的角色和硅片上面的这个或者那个门的差异并不大。大量研究显示其实对于视觉的处理，至少是信号的前期处理，人脑和狗或者猴子的差别也不大。

    所以说如果单个零件来看，现在并不支持人脑里面存着着某些特别复杂的零件。相反，感觉上人脑和机器很类似，都是有极其多的微小的很简单的东西组成。至于人怎么样就从如此简单的东西上产生了智慧，情感以及其他很多的东西。其实我们对大脑怎么工作的这方面知道的非常的少。👨‍🚒‏🩲🔑😤🖕
   
    有一些特别重要的发现，首先，人脑对于符号系统的处理能力很差，所谓符号系统的详细情况，我会在讨论图灵机的停机问题的时候再说。但简单来说就是做数学计算啊做逻辑推理之类的。人类并不是那么的擅长这些东西。

    相反的人类对于感知的处理能力非常的强大。基本上来说我们可以感受到的世界远远大于我们可以理性思考的世界。而电脑则不同，秉承了图灵机的笨拙而严谨，电脑对于符号系统的处理能力极强。程序出问题，肯定是程序猿的bug，不可能是电脑犯困了。
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    由此看来如果说图灵机是种强大的计算模型的话，那人脑好像不太可能遵循这种模型。

    其次，现在有足够的证据证明人脑是存储和处理并存的，脑的很多单元既存储信息也处理信息。这没有违反图灵的图灵机但是却和现在的电脑的冯诺依曼的架构格格不入的。
   
    在人脑上面曾经有过很多有意思的研究。癫痫是一种脑部不正常的病，看起来极像电脑死机重启。连接人左右脑的通路叫胼胝体，曾经一度治疗癫痫的办法就是切一刀，把胼胝体切断了。之后这个人就没有癫痫了。很神奇的治疗方法。
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    但是这种治疗带来了很多副作用，譬如说，从此以后说的话和做的事就不一致了。

    有人做过这样的实验，把左右眼睛之间用布隔开。给左边看一只笔右边眼睛看一个杯子，然后提问看到上面。结果右手写下了笔，而左手却抓起了放在旁边的杯子。

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    而这个人并没有意识到自己的两半身体做出来不同的回答。这至少说明了一点，人脑之间各个部分很多时候是独立工作的。而只有神经之间通过交流才能形成比较一致的观念。否则左边和右边就各司其职干自己的事情了。

    这个事情带来最大的冲击就是人是不是真有灵魂。因为从表现来看，这就是一部机器切断了通讯以后产生的现象。
   
    另外一个类似的实验在另外一个被切了胼胝体的患者身上，人类的语言中枢一般来说在左脑，所以我们右手会写字。

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    这个患者经过不断的努力以后，两边大脑都具备了语言文字的能力。结果左边和右边开始打架，一边说要做飞行员另外一边说要去银行上班。

    由此来看，人脑有非常强的可塑性，这不像是图灵机那样一开始就定死的。

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    然而，好像继续证明了人脑其实就是一台高精尖的机器，人类并不存在灵魂，意识只是人类脑部运动的结果，类似图灵机跑了一个非常复杂的算法。

    所以我们是不是可以认为，电脑是universal图灵机用了硅实现的一个机器，而人脑无外乎某个我们也不知道的数学模型用碳实现的一个更加精巧的机器呢？

    倘若同意这种观点，这无疑有非常多的令人沮丧的成分。
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    那伟大的爱情譬如说，原来只是人脑内神经传导和化学反应的产物，倘若我们知道是什么化学物质，那打几针吃几颗要，想要多伟大的爱情就有多伟大的爱情。这何尝不是一种悲哀呢？