27.08.2010

Алан Тьюринг - отец компьютеров

 Я люблю математику за то, что любовь к ней... безответна.

Операция «Ультра» по дешифровке германских военных и дипломатических кодов была успешной благодаря усилиям многих тысяч людей. Но главную роль в ней сыграл выдающийся английский математик Алан Тьюринг. Его имя долгое время не было широко известно, о нем знали только специалисты, его многие идеи не были поняты современниками, из-за нетрадиционной сексуальной ориентации даже в демократической, но весьма консервативной Англии его подвергли остракизму, что и привело к трагической развязке. Компьютерная техника, информатика, математика вычислений прошли огромный путь, но в историю всех этих наук имя Алана Тьюринга вписано золотыми буквами. С ним связана все более интересующая ученых проблема искусственного интеллекта, основы решения которой заложил гений с Британских островов.

Когда в семье Джулиуса Мэтисона Тьюринга и Этель Сары Стоуни 23 июня 1912 г. родился младший сын Алан, никто не предполагал, чем ему будет обязана мировая наука. Отец был колониальным чиновником в Индии. Этель Сара была дочерью главного инженера Мадрасских железных дорог. Это была добропорядочная английская аристократическая семья, принадлежавшая к так называемому upper-middle-class — высшему среднему классу. Этот слой аристократов жил в соответствии со строгими традициями Империи и являлся ее основой.

В детстве Алан и его старший брат Джон довольно редко видели своих родителей — их отец до 1926 г. служил в Индии; дети оставались в Англии и жили на попечении в частных домах, получая строгое английское воспитание, соответствующее их положению на социальной лестнице. В 6 лет маленький Тьюринг самостоятельно выучился читать, его любимыми книгами были научно-популярные. В 11 лет он уже ставил вполне приличные химические опыты, извлекая йод из водорослей. Остальные предметы были ему мало интересны — и это приводило его мать просто в отчаянье. Она опасалась, что младшего сына не примут в Public School, обучение в которой было обязательным для отпрысков аристократов.

Вообще английские названия для нас выглядят несколько странными. Public School — публичные школы — в те времена были закрытыми учебными заведениями с высокой платой, а public house — публичный дом — обыкновенная пивная, паб. Опасения матери оказались напрасными: Алан поступил в престижную Sherborne Public School.

В английских школах учеников по каждому предмету записывают по успеваемости. Отличников первыми. Алан — последний по английскому языку. По латыни уже лучше, он предпоследний. Записи учителей в журнале очень похожи: «безнадежное отставание», «безобразная успеваемость». Директор школы записал: «Этот мальчик из тех, кто обречен стать большой проблемой для любой школы или сообщества...». Впрочем, от учителей не укрылось и то, что «...он зря проводит время в Public School... Наверное, он будет математиком. Такие ученики, как он, рождаются один раз в 200 лет».

Юный Алан Тьюринг продолжает умирать от скуки на уроках, а в свободное время — изучать не предусмотренные программой науки. В 15 лет он самостоятельно изучил основы общей теории относительности и квантовой механики. И это при том, что в то время о последней не имело понятия большинство физиков.

Чем бы закончилась ситуация с обучением Алана Тьюринга, неизвестно, но судьба оказалась милостивой. В 1928 г. в школу пришел новый ученик Кристофер Морком. Их интересы совпадали, в нем Алан нашел интеллектуального партнера — с ним можно было поделиться своими размышлениями о науке. Теперь они на уроках французского языка уже вместе играли в крестики-нолики, рассуждали об астрономии и математике. Сохранилась школьная тетрадь, полная сыгранных партий в крестики-нолики с обсуждением вариантов поиска кратчайших путей решения, геометрическими чертежами и доказательствами сложных теорем.

Друзья собирались после школы поступать в Кембридж. Но в тот год Алана не приняли. Кристофер же успешно сдал вступительные экзамены и получил стипендию. Алан надеялся поступить со второй попытки, чтобы учиться вместе со своим другом, но 13 февраля 1930 г. его друг Крис внезапно умер. Его скоропостижная смерть потрясла семнадцатилетнего Тьюринга, он впал в глубокую и долгую депрессию. Бывший худший ученик в классе, тем не менее, поступает в Кембридж. Алан очень не скоро оправится от потрясения. Будучи студентом, на протяжении нескольких лет он пишет матери Моркома душевные письма. В этих письмах он постоянно возвращается к размышлениям о том, как человеческий Разум размешается внутри материальной оболочки и каким образом он освобождается от нее в момент физической смерти тела.

В 1931 г. Тьюринг стал студентом King’s College в Кембридже — знаменитого старинного английского университета, основанного в 1209 г. Здесь Тьюринг получает возможность полностью отдаться науке. В тот период становления квантовой механики большое впечатление производит на него книга Джона (Яноша) фон Неймана «Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik» — «Математические основы квантовой механики», — в которой находит ответы на многие давно интересующие его вопросы. Тогда Тьюринг не предполагал, что через несколько лет фон Нейман предложит ему место в Принстоне — одном из самых известных университетов США. Еще позже фон Нейман, так же, как и Тьюринг, будет назван «отцом информатики». Но в начале 1930-х гг. научные интересы обоих будущих выдающихся ученых были далеки от вычислительных машин. Тьюринг и фон Нейман занимаются в основном задачами так называемой чистой математики. В частности, наш студент King’s College пишет работу «Эквивалентность левой и правой почти-периодичности», вышедшую в 1935 г. В ней рассматриваются вопросы теории непрерывных групп математического аппарата квантовой механики и фундаментальной области современной математики.

Студенческие политические и литературные кружки были чужды Тьюрингу. Он предпочитал заниматься математикой под руководством известного ученого Макса Ньюмана. Интересно, что во время развернувшейся операции «Ультра» уже учитель работал под руководством своего ученика. В свободное время Тьюринг ставит химические опыты, решает шахматные головоломки, играет в восточную игру го. Так же, как когда-то крестики-нолики, эта, тогда малораспространенная, игра в первую очередь интересовала его как модель для решения математических задач из теории групп. Отдых он находил в интенсивных занятиях спортом — греблей и бегом. Марафонский бег останется его увлечением до конца жизни.

Тьюринг блестяще заканчивает четырехлетний основной — undergraduate — курс обучения. Его работа по теории вероятностей удостаивается специальной премии и приводит в члены научного общества King’s College — fellowship — среднее между аспирантом и преподавателем. Его ожидала успешная карьера слегка эксцентричного кембриджского дона (don) — традиционное название преподавателей в Кембридже и Оксфорде.

В 1935—1936 гг. Тьюринг создает теорию, которая навсегда впишет его имя в науку. Изложение теории «логических вычисляющих машин» несколько позже войдет во все учебники по логике, основаниям математики, теории автоматов и вычислений. Именно здесь он сформулировал математическую модель, названную «Машиной Тьюринга». Хотя в физическом виде такая логическая машина не была реализована, тем не менее все современные и, наверное, будущие компьютеры и логические устройства, работающие по программе, основаны на сформулированных принципах. Любой учебник для прикладных математиков, программистов и компьютерщиков обязательно содержит ее описание.

За первым успехом следует постановка более общей и крайне важной проблемы. Здесь Тьюринг вынужден был углубиться в логические, даже философские проблемы математики. В 1928 г. великий немецкий математик Давид Гильберт сформулировал Entscheidungsproblem — проблему разрешения. Смысл ее состоит в том, чтобы найти алгоритм, который бы принимал в качестве входных данных описание формального языка и математического утверждения S на этом языке, и после конечного числа шагов останавливался бы и выдавал один из двух ответов: «Истина» или «Ложь». Алгоритм не должен давать обоснование вывода, однако ответ всегда должен быть верным.

Проблема Гильберта имеет практическое значение. Программистам давно известен эффект «зависания», или «зацикливания». Компьютер долго решает задачу — это происходит из-за большого объема вычислений, или задача в такой постановке в принципе неразрешима, и конца вычислений мы не дождемся никогда.

В 1935 г. молодой докторант King’s College Алан Тьюринг знакомится с этой фундаментальной проблемой. В современной терминологии она выглядит так: возможно ли создать универсальную программу, которая в отношении любой частной определяла, зацикливается последняя или нет. Тьюринг, а несколько раньше американский математик Алонзо Черч сформулировали принцип, из которого следует, что такой универсальной программы не существует. Его работа «On the Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem» — «О вычислимых числах, с приложением к проблеме разрешимости» — стала классической.

Работу над своей докторской диссертацией Тьюринг продолжил в Принстоне под руководством Черча. Джон фон Нейман предложил докторанту перейти на работу в этот американский университет, но Тьюринг предложение не принял. Достоверно причины его отказа не известны, есть два предположения. Во-первых, европейские и американские математики, собравшиеся в Принстоне, были, в основном, людьми правых политических взглядов. В Кембридже в те времена была мода на политическое левое, которое считалось прогрессивным. Тьюринг тоже отдал дань общим настроениям. В какой-то период он даже хотел посетить СССР — к его счастью, такая поездка не состоялась. Во-вторых, со второй половины 1930-х гг. он начал конфиденциальное сотрудничество с Government Code and Cypher School — правительственной школой кодов и шифров в Блетчли Парке. Еще до начала Второй мировой войны Тьюринг начал работу по взлому немецких военных и дипломатических кодов. Наверное, по этой главной причине он в Принстоне не остался.

Во время работы в Школе Алана Тьюринга называли Bletchley Park genius loci, что можно перевести как «безумный гений из Блетчли-парка». Он часто забывал надеть носки или повязать галстук, ходил по тихим коридорам, погруженный в собственные мысли. Во время разговора мог оборвать его на половине фразы, подбежать к ближайшему столу, выхватить у сотрудника лист бумаги и начать быстро что-то на нем писать. Алан был грозой шарлатанов и карьеристов — он распознавал их мгновенно. А добросовестных сотрудников выматывал работой, часто требуя от них невозможного. Те, в свою очередь, придумывая многочисленные анекдоты о его чудачествах. Однако этот чудак занимался разработкой шифров для переписки Черчилля и Рузвельта, за что был удостоен звания кавалера Ордена Британской империи 4-й степени.

В период работы по дешифровке кодов немецкой шифровальной машины «Энигма» Тьюринг убедился в неэффективности построения специализированных машин для решения конкретных логических задач и вычислительных задач. На основе своей модели «Машины Тьюринга» пришел к идее универсальной электронной вычислительной машины. В это время в США реализовывался проект ЭВМ EDVAC — Electronic Discrete Variable Automatic Computer — Электронный дискретный изменяемый автоматический вычислитель. Аналогичные работы были развернуты и в Великобритании.

В Национальной физической лаборатории, где Тьюринг проработал с 1945 по 1948 г., ученый предложил весьма амбициозный проект АСЕ (Automatic Computing Engine — Автоматическая вычислительная машина), который не был реализован. Академический год (1947 — 1948) он провел в Кембридже. Разработанные в 1947 г. Тьюрингом «Сокращенные кодовые инструкции» (Abbreviated Code Instructions) положили начало созданию, исследованию и практическому использованию языков программирования. В мае 1948 г. Макс Ньюман предложил ему пост преподавателя и заместителя директора вычислительной лаборатории Манчестерского университета, занявшего к этому времени лидирующие позиции в разработке вычислительной техники в Великобритании. В 1951 г. Тьюринг был избран членом Лондонского королевского общества.

Интересы ученого не ограничивались математическими основами вычислительной техники и математики. Исключительно важную роль он сыграл в постановке и развитии проблемы искусственного интеллекта. В 1950 г. в журнале «Mind» («Разум») он опубликовал небольшую статью «Computing Machinery and Intellegence» — Вычислительные машины и разум. В дальнейшем она неоднократно переиздавалась под названием «Can the Machine Think?»— «Может ли машина мыслить?» У нас она известна именно под этим названием. В этой работе Тьюринг предложил ставший знаменитым мысленный эксперимент (тест Тьюринга). В упрощенной форме теста выясняется, может ли человек, общаясь с собеседником, определить, общается он с другим человеком или же с искусственным устройством. В статье не было термина искусственный интеллект. Он появился в 1956 г. на семинаре в Дартсмутском колледже в США. В русском переводе термин не совсем отвечает содержанию понятия «искусственный интеллект» (англ. artificial intelligence). К значению слова «intelligence» ближе «смышленость, понятливость», а не intellect — рассудок.

Формулирование теста Тьюринга имело ряд принципиальных следствий. Во-первых, появился операционный критерий для ответа на вопрос «Может ли машина мыслить?». Во-вторых, этот критерий оказался лингвистическим: указанный вопрос был явным образом заменен на вопрос о том, может ли машина адекватным образом общаться с человеком на естественном языке. Тьюринг выражал уверенность в том, что «метод вопросов и ответов пригоден для того, чтобы охватить почти любую область человеческой деятельности, какую мы захотим ввести в рассмотрение». Следствием этого стала та важнейшая роль, которую в дальнейшем развитии искусственного интеллекта играли исследования по моделированию понимания и формированию естественного языка.

В Манчестере в 1951 г. вводится в действие один из первых в мире полностью работоспособных компьютеров Ferranti Mark 1, и Тьюринг начинает первые вычислительные эксперименты по нелинейному моделированию формообразования у растений и раковин. Он вновь возвращается к наблюдениям за природой и пишет работу по вопросам морфогенеза — научному направлению, определяющему математические закономерности в развитии форм живых существ. Конечно, расчет конфигурации цветка был не единственной и не главной задачей, выполнявшейся на Mark 1. Спустя несколько лет эта ЭВМ была использована при создании английской атомной бомбы. Сохранились свидетельства того, что Тьюринг проводил на нем и несанкционированные вычисления. Возможно, это были работы для Школы. С ней он не прекращал сотрудничества, о котором в Манчестерском университете никто не подозревал. На этот раз в центре внимания спецслужбы были шифры советской резидентуры в Англии. Есть данные, что Тьюринг попал в учеты МГБ-КГБ.

В этот период Тьюринг разрабатывает квантовую теорию спиноров — компонентов элементарных частиц — и работает над некоторыми вопросами теории относительности. Тогда же он проявляет серьезный интерес к методике психоанализа Юнга и записывает все свои сны. К сожалению, записи не сохранились.

С 1952 г. у ученого новая страсть — Скандинавия. В названиях многих его программ начинают звучать скандинавские имена: начиная с Ибсена и заканчивая его новым другом из Норвегии — Кьелем. В разгар холодной войны «охота на ведьм» докатилась и до Британских островов. Тьюринг мог себе позволить игнорировать общественное мнение и настроения в обществе, хотя никогда не вел себя вызывающе. Возможно, он даже пытался найти компромисс с гетеросексуальным окружением. Еще во время войны Тьюринг сделал официальное предложение одной из своих коллег-математиков, но впоследствии отказался от него, признавшись в своих пристрастиях.

В 1952 г. дом Тьюринга был взломан и ограблен одним из друзей его сексуального партнера. Не поддавшись на шантаж, Тьюринг сообщил об ограблении в полицию. В процессе расследования всплыли и особенности его взаимоотношений с молодым партнером. В результате против ученого на основании британского закона о гомосексуализме было выдвинуто обвинение в «крайне непристойном» поведении. Суд состоялся 31 марта 1953 г. Единственное, что заявил Тьюринг в свою защиту, — это то, что «он не видит в своих действиях ничего противозаконного». Приговор был на выбор: либо тюремное заключение, либо инъекции эстрогена — женского гормона «для снижения либидо». Тьюринг выбрал последнее.

После того, как подробности дела стали достоянием публичного скандала, его лишили допуска (security clearance) и уволили из Школы. Со своей стороны британская контрразведка начала тотальную проверку всех его друзей и знакомств. А поездка Тьюринга на остров Корфу, в Афины и Париж в 1953 г., сопровождавшаяся многочисленными новыми знакомствами, вызвала панику у контрразведчиков. Сделать Тьюринга невыездным было невозможно, Англия — не СССР. А вот признать неблагонадежным — вполне. Европейские друзья не имели представления о его работе и не подозревали, что он является носителем важнейших государственных секретов. Приезд норвежского друга Кьеля в Ньюкасл всполошил всю полицию северной Англии, которая организовала за ним слежку.

Формально работа Тьюринга в Манчестерском университете продолжалась. Оставаясь исследователем, он делился с коллегами своими наблюдениями над воздействием эстрогена на свой организм. Однако скандальные статьи в местных газетах и неприязненная атмосфера привели к тому, что он стал все реже появляться в университете. Тем не менее Тьюринг изучает скандинавские языки и пытается найти работу во Франции (правда, безуспешно). Однако унижение от регулярных процедур и изоляция в среде коллег, несомненно, привели к стрессу.

Трагедия произошла 8 июня 1954 г. Алан Тьюринг, кавалер ордена Британской империи, член Королевского ученого общества, математик, многие работы которого стали поняты только в 1970-х гг., и скандально известный гомосексуал, был найден мертвым у себя дома в Вилмслоу. Рядом с ним было найдено надкусанное яблоко, на которое был нанесен цианид.

Его мать отказывалась поверить в официальную версию о самоубийстве, она считала происшедшее несчастным случаем. Кроме этой гипотезы, могло бы иметь место и предположение, что британским спецслужбам надоело заниматься проработкой контактов неблагонадежного, общительного, часто бывающего за границей и слишком много знающего бывшего коллеги.

В сентябре 2009 г. премьер-министр Гордон Браун официально извинился за произошедшее с Тьюрингом. «Признание Алана одной из самых известных жертв гомофобии в Великобритании является еще одним шагом к обеспечению равенства... Поэтому от имени британского правительства и всех тех, кто живет на свободе благодаря вкладу Алана, я с гордостью говорю: «Прости нас, ты заслуживаешь гораздо лучшего».

Юрий Райхель

Источники:

1. day.kiev.ua