图灵的大教堂：数字宇宙开启智能时代

乔治·戴森，美国著名的科技史学家和非虚构类图书作家，研究方向包括技术与物理环境的演变及社会学。作品包括研究数字计算和通信系统的《计算机生命天演论》（Darwin among the Machines）、与太空探索相关的《猎户座计划》（Project Orion）以及研究阿留申人海豹皮船发展演变过程的《海豹皮船》（Baidarka）。
TED演讲人。曾在学术机构、企业和技术会议上广泛发表演讲，话题涉及计算的历史、算法和智能的发展、通信系统、空间探索等，讲述了技术在现代社会演变的历史背景，并在科技和互联网发展方向等问题上，提出了发人深省的理念。

中文版序 /III
走向智能时代
前言 /001
数字宇宙的诞生
引 言 /005
一切都要归功于C(A)

第一部分 高等研究院，数字宇宙的滥觞
01 历史选择了1953年 /013
1953年3月3日下午10时38分，普林斯顿大学的数学生物学家巴里塞利通过绘制魔术扑克生成的随意数字，组成了5千字节的数字宇宙。正是在这一年，热核武器、存储程序计算机和对生命密码DNA的阐释三项重大技术革新横空出世……
02 当奥尔登只是农场 /023
1776年11月底，独立战争的战火烧到普林斯顿。在这里，扩充后的华盛顿军队一鼓作气，迫使英军从新泽西撤退至纽约。在美国独立战争这段短暂的经历后，奥尔登农场一直保持原状，直到那位数学家到来，才开始上演另一段历史。
03 建立高等研究院，点亮黑暗中的明灯 /031
1930年5月20日，弗莱克斯纳被任命为该机构的首位主任。这个机构的注册证书上写着“本高等研究院设立于新泽西纽瓦克，旨在促进各个领域知识的发展”。在弗莱克斯纳眼中，这里就是学者的天堂，他们像诗人和音乐家一样，拥有随心所欲的权利。
04 冯·诺依曼，灵魂人物的入驻 /053
1931 年，冯·诺依曼收到普林斯顿大学的永久任命。从来到这里的第一天开始，他就有一种回家的感觉。作为最早飞入高等研究院的“鸟儿”，冯·诺依曼认为自己应该设法成为美国人，于是，他开始自称约翰尼·冯·诺依曼。

第二部分 MANIAC，数字宇宙初探
05 一台只属于高等研究院的计算机 /081
去哪里制造新型计算机呢？高等研究院甚至没有一个工作台，可以供你插上电焊枪。但那时的冯·诺依曼非常清楚地知道，自己想制造一台高速全自动通用电子计算机，这台机器可以回答人们想问的任何问题。
06 富尔德219室，神秘的MANIAC诞生地 /105
除终身教授外，所有研究院成员要么共享办公室，要么转而使用图书馆的临时办公桌。有些人甚至睡在富尔德楼。但是，还有一个房间没人使用：富尔德 219 室。大家一致认为，这个与哥德尔博士的办公室相连的房间应该由从事计算机工作的人员使用。
07 最普通的电子管，最关键的部件 /125
在制造计算机的过程中，对于选择普通常见的6J6是否错误曾发生过激烈的争论。高等研究院研制的计算机最终共包含了3 474根真空管，其中1 979根为 6J6。整个计算机可以被看作一个大型的真空管试验架。
08 V-40，MANIAC成功的物理实现 /147
随着威廉姆斯管存储器开始工作，计算机的最终物理形式逐渐确定。MANIAC类似于装有涡轮增压器的V-40发动机，计算机本身采用铝质框架，重量只有454千克，在它的时代相当于一个微处理器。

第三部分 让实现数字宇宙成为可能
09 从无到有的数值天气预报 /173
20 世纪 50 年代初的某天，冯·诺依曼、约瑟夫·司马格林斯基和其他几个人站在普林斯顿电子计算机工程大楼外面，冯·诺依曼抬头看着局部多云的天空说道：“你们觉得我们能预测那个吗？”
10 计算机巨人身旁的“编码皇后” /193
冯·诺依曼的妻子克拉拉成为首批程序员中的一员：“我学会了如何把代数方程转化为数值形式，然后再把它的数值形式转化为机器语言。”也就是说，你必须接受这种机器，这种机器也必须接受你。
11 核聚变武器的诞生 /219
1952年11月1日7时14分59秒，第一颗氢弹“常春藤麦克”成功爆炸。颇具戏剧性的是，冯·诺依曼作为高等研究院的一员，将大多数时间花在武器研究的工作上，而乌拉姆作为洛斯阿拉莫斯武器实验室的一员，却将大部分时间花在纯数学的研究上。
12 操纵进化，巴里塞利的基因宇宙 /245
不管你等待多长时间，数字永远不会成为有机体，但是它们可能学会自己编码。一旦基因型和表型之间的转换被启动，进化速度就会加快，当然，不仅是最终有机体的进化，还有遗传语言和转换系统自身的进化。从这个角度来说，巴里塞利是那个时代唯一一个真正知道如何走向人工智能的人。
13 制造会思考的机器，人工智能初探 /263
图灵对未来给出了令人振奋的提示：如果一个人说话时前言不搭后语，机器会惩罚他，那么这台机器就是有意识的，而超智能机器则是一台认为人类不会思考的机器。

第四部分 开启人工智能时代
14 社交网络，一台庞大的模拟计算机 /287
对于实际问题，特别是模糊不清的问题，模拟计算不仅在计算答案方面，而且在提问和传达结果方面，表现得更加快速、准确、稳健。在所有事物都数字化的时代，我们再一次开始制造模拟计算机：搜索引擎和社交网络就是具备史无前例规模的模拟计算机。
15 数字生命，机器的自我繁殖 /303
计算机从复制能力和计算能力中获得的力量是相当的。根据定义，图灵机能够精确复制任何可读的序列，并进而实现自我复制。在高等研究院计算机项目启动的同时，冯·诺依曼设想出一个自我繁殖的公理论，进一步扩展了图灵通用机的能力。
16 云计算，数字网络的转型 /315
计算机可能是人类建造的效率最低的机器，因为全球99.9%的计算机都在等待指令。向虚拟机器和云计算的转变标志着将平时被浪费的资源利用起来这一转型的开始。代码正变成多细胞生物，而单独处理器和单独存储器之间的界限也逐渐模糊。
17 未来属于机器还是人类 /325
自莱布尼茨的时代以来，我们一直都在等待机器开始思考。我们赋予数字计算机修改自身代码的能力，而现在它们开始练习修改我们的能力。在不远的未来，是我们要用数字计算机编列、存储以及更好地复制我们自己的遗传密码，从而优化人类，还是数字计算机要优化我们的遗传密码和思维方式，从而使我们更好地帮助它们进行复制？
尾声 /337
是终点，更是起点 789
附录 -主要人物 /363

第10章 计算机巨人身旁的“编码皇后”
1946—1955 年，我们在这几年的时间里乘车横跨了那个国家 28 次。
约翰·冯·诺依曼，1963 年
“我们在蒙特卡洛市的里维埃拉地区（Riviera），那些不可救药赌徒的汇聚之地，”克拉拉·冯·诺依曼回忆起和第一任丈夫弗朗西斯的赌博之旅时说道，时值第一次世界大战和第二次世界大战的间隔，“当我们走进赌场时，看到的第一个人是约翰尼；他正坐在赌注适中的一个轮盘桌前，面前摆着一大张纸和一小堆圆形筹码。他有一个‘系统’，看见我们后，他很高兴地向我们做了一番解释：当然，这个‘系统’并非万无一失，但它确实包含漫长而复杂的概率计算，甚至考虑到了转盘非‘真’的情况（简单来说，就是可能被人为操纵）。”
“弗朗西斯去了另一张桌子，”克拉拉继续说道， “我四处转了一会儿，冷眼旁观人们陷入自我毁灭的狂欢，然后我走到吧台前坐下，想要喝上一杯。当我小口啜饮着鸡尾酒时，约翰尼过来了。”这位博弈论大师在轮盘赌桌上好运耗尽、输了个精光，而克拉拉的第一段婚姻也正面临这样的局面： “一场绝对的灾难。 ”她不得不请他喝酒。 “我是一个富家女，我爸爸很富有，弗朗西斯则是一个不可救药的赌鬼——这更说明了我吸引他的地方。我们在一起 4 年，经历了种种烦恼，最后爸爸用钱帮我离了婚。 ”
克拉拉与约翰尼的相遇
1911 年 8 月 18 日，克拉拉 ·丹（Klára Dán）出生于布达佩斯一个富裕的犹太家庭。“一个规模庞大、组织严密的家族中最娇贵、最得宠的顽童，”她这样回忆童年时的自己，“一个漂亮却惹人生厌的小孩。她尖叫着、大喊着、吼叫着走过了她的性格形成期。”她的父亲查尔斯·丹（Charles Dán）同时是实业家和金融家。第一次世界大战期间，他曾在奥匈帝国的军队中担任军官，相对舒适地度过了那段时期。但是随着战争结束， 又出现了一场大乱。为了躲避库恩·贝拉的统治，他们穿越边境逃至维也纳，途中还徒步了几段。她的父亲护送家人到达安全地点 后， 又回国参加了地下反革命活动。“我童年最深刻、 最难忘的记忆是，”克拉拉说，“站在桥对面，看着他往回走。我当时已经意识到，这可能会让他遭受灭顶之灾。 ”
随着库恩·贝拉政权的倒台，布达佩斯进入两次世界大战之间的黄金 10 年。“霍尔蒂海军上将领导的反革命运动成功了，”克拉拉写道，“我们又都可以回家了，然后匈牙利版的‘繁荣的 20 年代’ （Roaring Twenties）到来了。”14 岁时，克拉拉夺得了匈牙利花样滑冰冠军，之后被送到英国寄宿学校学习。和冯·诺依曼的家族一样，她的家族也拥有一栋大房子，三家分住，由她的外祖父主持家政。这栋大房子配备了一个巨大的露台，可以同时容纳 100 来人进餐或参加其他庆祝活动。在这里，这样盛大的场面很常见。花园分为两个部分，正式的部分是孩童的禁区，杂草丛生的荒园则是成人的禁地。“这条界线，”克拉拉补充道，“是那个幸福的家中，孩子和成人之间唯一的分界，它逐渐成为‘繁荣的20年代’布达佩斯的中心。”
整个家庭常常聚集在克拉拉外祖父的餐桌上吃晚餐，之后往往是庆祝时间，一直到深夜。“晚饭后不久，大家都下楼去，我姨父、姨母和他们的两个小孩住在二楼，我父母、我和姐姐住在三楼，”克拉拉解释说，“那里准备了酒,大家端着酒杯，开始闲聊。第二瓶酒往往会在人群中传来传去；不久，又引来了吉普赛乐队，也许还有一些亲密的朋友也被哄骗下床，加入进来。这样，一个完整的‘mulatsag’到来了。”
“要想用一个词来翻译‘mulatsag’是绝对不可能的，”克拉拉指出，“它不是一次派对，也不是一次盛宴，甚至不是一场狂欢；它只不过是一群玩得开心的人无意识地陷入极度兴奋的状态。到早上 6 时，乐队离开，我们回到楼上，迅速冲个澡。然后，男人们去上班，孩子们上学，女人们和自己的厨师去市场买菜。”
克拉拉的父亲和外祖父也设立了星期四晚上的一系列派对，我们叫它“星期四的夜晚” （Thursday Night），每月在名为 The Nest 的男性俱乐部中举行一次。按照克拉拉的说法，“派对值得称赞的地方是， 让男人们远离商业、 金融和政治的世界，可以和艺术家、作家以及其他文艺知识界的人士见面交流。”当他们决定召开这个聚会时，因为“这个袖珍小国的创造性思维的非凡成果”对女性影响巨大，所以她的祖父宣布：“第一次将女性包括进来的聚会无疑要在我们家举行。”
“这简直是太美妙了，”克拉拉回忆说， “三家都由内而外重新布置， 钢琴被移开，家具被重新摆放……一楼招待晚餐；二楼的房间供人闲聊和打牌；三楼则是音乐和舞蹈的消遣——三个厨房为此至少连续忙活了三天。没人打算让小孩上床睡觉。因此，在大约 13 岁的年纪和以后的许多年里，我慢慢认识了我们镇上最有趣和最令人兴奋的那些人。”
克拉拉爱上了社交，这种兴趣陪伴了她一生。 “我不断认识各种各样的人，因此，认识的人也越来越多，”一份在她死前仍未完成的回忆录的开头说着， “他们中有一些人闻名世界，另一些人则默默无闻；家族族长、以前和未来的皇后、打杂女工和应召女郎、政治家和权重一时的政客、夜班工人和酒吧哲人、公认的天才和沮丧的失败者……除此之外，还有更多。”克拉拉患有抑郁症，但是生活很充实。“这是一个热心肠的阴谋家的灵魂，如果我的感觉没错，她周围的朋友都反对冷漠，积极向上，”在她去世两个星期后，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）这样写道，“这个灵魂竭力与看似悲惨的命运作斗争。命运虽然看似悲惨，但是这样的命运还是能够被打败的。”
她和弗朗西斯离婚后，就嫁给了一位体面且不爱赌博的银行家。“我们在正确的时间做了正确的事，家庭经营得井井有条。我们会在家里适时地举行聚会，”克拉拉写道，“他是一位和善、温柔、体贴的丈夫，比我大 18 岁。因为他的能干，我无事可做，闲得发慌。”1937 年 8 月，第一段婚姻即将走到尽头的约翰尼，按照惯例来到了夏天的布达佩斯，并且和她取得了联系。
“我们打了一通问候电话，接着很快就在咖啡馆里见面并开始聊天，一聊就是数小时，”克拉拉回忆说，“我俩都对政治很感兴趣，也都喜欢对暗淡的前景进行详细的预测。（约翰尼对未来发展的评价非常接近现实，足以让人吃惊……我为他的一些预测的准确性感到不寒而栗。）我们谈了这个，还有古代史和猜对转盘的概率。我们还向对方吐露了自己不光彩的故事以及马拉松式谈话过程中发生的小插曲；我们谈到了美国与欧洲之间的区别，还有养一条小哈巴狗或大丹犬的优点。”
8 月 17 日，他们在凯伦福德（Kelenf?ld）火车站告别。约翰尼从这里离开，前往维也纳、科隆（Cologne） 、巴黎和南安普敦（Southampton） ，并于 20 日搭乘丘纳德班轮“乔治克号” （Georgic）返回纽约。8 月 29 日，约翰尼回到了纽约。9月7日， 玛丽埃塔（她在欧洲度过了夏天）乘坐“玛丽女王号”也来到这里。随后，一封封信件和电报分别通过双方的中介机构来往于普林斯顿和布达佩斯两地。“事实已经很明显了，我们是天造地设的一对，”克拉拉说，“我们的信写得越来越长。事情发展到了无可挽回的地步。我对我那善解人意、待我如父的丈夫坦白说，‘即便他或任何人做任何事，都替代不了约翰尼的大脑’。”
就这样，玛丽埃塔带着两岁的玛丽娜在内华达州的沙漠待了 6 个星期，以美国特有的仪式离婚。 “我认为，这个地方给人的感觉肯定和地狱相差不远了， ”9月22 日，她在里诺（Reno）的江滨酒店（Riverside Hotel）里这样写道，“真是难以言表， 每个人都在不停地喝酒， 直到烂醉。他们像疯了一样， 每天挥霍五六百美元，大厅里摆放着轮盘赌桌，寻常得就像其他地方放置的痰盂……亲爱的，你还好吗？公寓如何？你过得怎样？你有没有半点喜欢我？你一定要详细地告诉我。我现在心如浮萍，飘忽不定。 ”
第二天，玛丽埃塔步行 56 千米到达金字塔湖（Pyramid Lake）度假牧场，在那里她的离婚季渐近尾声。“亲爱的约翰尼，”她写道，“这里完全陷入疯狂，没有比这更惨的了。如果我没有在这里待上 6 个星期，我相信我不能坚强地活下来。我住在一片印第安保留地之中……这里充满着神奇的色彩，让人无法想象……骑马欣赏风景会很漂亮，但是晚上是致命的。想象一下 6 时吃晚餐，天却要到晚10时才黑。”
拿着瓦肖县（Washoe County）的离婚判令，玛丽埃塔于11月初从内华达州返回，并于11月25日在华盛顿特区法院与实验物理学家霍纳·德斯蒙德·库珀（J. B. Horner Desmond Kuper）结婚。库珀是尤金·维格纳在普林斯顿大学的研究生，战争期间在雷达方面做出了重要贡献。玛丽埃塔和德斯蒙德·库珀后来都供职于长岛的布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory） 。这个实验室是位于东海岸的新核试验室，弗兰克·艾德洛特一度建议把它设在高等研究院的树林里。约翰尼和玛丽埃塔保持着良好的关系，而他们的女儿玛丽娜后来由两个家庭共同抚养。
……

走向智能时代
高等研究院创立时，数学被分成两个王国。随着冯·诺依曼的到来，它们的区别开始缩小。数学的第三王国正在形成。第一王国是单独的、抽象的数学领域；第二王国是在应用数学家的指导下，应用于真实世界的数字领域；而第三王国是数字宇宙，其中数字自成一脉。
数字宇宙的首次系统性实现应该追溯到中国以及《易经》六十四卦。因此，我很高兴看到《图灵的大教堂》中文版即将面市，本书讲述的是数字宇宙发展的一小部分后续故事。
从 0 到 1，数字超越语言
本书开篇的名句来自戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646—1716）的评论，莱布尼茨与艾伦·图灵并驾齐驱，目前仍然是在预见当下数字宇宙方面最具远见卓识的人。然而，莱布尼茨本人经常强调，是中国人发明了二进制算法并首次探索它作为一个正规体系的力量。
“六十四卦代表一个二进制算法……数千年后我重新发现了这个问题，”莱布尼茨于1716年在他的《论中国人的自然神学》 （Discourse on the Natural Theology of the Chinese）一书中，致信给尼古拉斯·德雷蒙（Nicolas de Remond）时说道，“在二进制算法里只有两个符号：0和1，我们可以用0和1表示所有的数字……我后来发现，它进一步体现了二分法的逻辑，也是对该逻辑最大限度的利用。”
在莱布尼茨看来，二进制编码是一种能够用于准确表达和理解所有真理的通用语言。就像他所设想的那样，二进制编码已经成为一种超越所有自然语言的通用语言，就像有机体之间无论多么不同，它们的基础语言都是 DNA。
今天，约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）、朱利安·毕格罗（Julian Bigelow）及其同事们开发出的逻辑架构几乎存在于所有的电脑中，包括目前世界各地正在不断增加的移动设备里，他们未曾想过自己开发的这种逻辑架构，其原型除了来源于中国，还有可能来自其他地方。虽然他们的发明以及同时开发的编码系统，其设计意旨是可自由复制，并故意维持无专利或无保密限制的状态，然而，如果他们看到自己的想法在很大程度付诸现实，而基本原则竟然未曾改变，他们还是会感到惊讶。
迈向机器主导时代
本书讲述的重点是第二次世界大战过后数字宇宙的突然爆发。虽然书中少数对未来的猜测要么已成为事实，要么已被证实是错误的，但是由于其历史性，书中描述的大部分事实能够无须更新就一直适用。在我创作本书时， 很多见证人都已离开人世， 我们每个人都应该万分感激他们，因为他们的无私奉献为这个世界带来了现代计算机。
从游牧部落到古希腊人，所有人类文化都由创世的故事来讲述创造了人类的神。这些故事都包含非常多的细节。当然，在各种不同的文化中，创造了人类的神可能有许多个， 每一个都有着独立的个性以及冒险或灾难性的际遇。 细节很重要，就像对阿拉斯加海岸的特里吉特人（Tlingit）来说，记住渡鸦（Raven）把陆地从海洋中带出来的日子里，吃了什么早餐是非常重要的。
我们目前正在进入一个过渡期——从由人类所主导的时代转变为由越来越自治的机器所主导的时代。本书尽可能详细地记录了创造这些机器的一些人的故事。
乔治·戴森
美国华盛顿州贝灵汉市2015年3月31日
[前言]
数字宇宙的诞生
我正在考虑一些远比炸弹更重要的东西，我正在考虑计算机。
约翰·冯·诺依曼，1946 年
关于生命的起源，存在两种创世神话：一种认为生命源于泥土，另一种认为生命是从天而降的。如果按照这两种创世神话，那么计算机源于泥土，而代码则是从天而降的。
1945 年年末，在新泽西州普林斯顿高等研究院内，匈牙利裔美籍数学家约翰·冯·诺依曼召集了一小群工程师，开始设计和建造配备有 5 千字节存储器的电子数字计算机，这种存储器可以在 24 微秒内从一个存储单元切换到下一个存储单元。整个数字宇宙可以直接追溯到这种 32×32×40 位的核心：比如今计算机中单个图标配置的内存还要小。
1936 年，艾伦·图灵（Alan Turing）提出了通用机的理论构想，而冯·诺依曼的研究项目就是对这种理论构想的物理实现。它不是第一台计算机，甚至也不是第二或第三台计算机。然而，它却是首批充分利用高速随机存取存储矩阵的计算机，这种计算机的编码被广泛复制和使用，其逻辑架构也被大量复制。这一设想是由艾伦·图灵提出的，而冯·诺依曼则通过这种设想制造出了存储程序计算机，打破了用于“表意”（mean）的数字和用于“运算”（do）的数字之间的区别。宇宙的变化是永不停歇的。
十几位二三十岁的工程师打破了行业限制和学术规则，在短短 5 年的时间内，花费不到100 万美元设计和建造了冯·诺依曼计算机，美国政府也为此提供了大量支持。 “他在对的时间出现在对的地点，正确关联了对的想法，”威利斯·韦尔（Willis Ware）回忆说，他是第四个被选入工程团队的人，“这究竟是谁提出的观点，这个问题可能永远不会得到解答，我们暂且抛开这一困扰。”
随着第二次世界大战接近尾声，洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）制造了原子弹的科学家们开始思考：“下一步该做些什么呢？”理查德·费曼（Richard Feynman）等人发誓再也不染指核武器或军事机密，而爱德华·泰勒（Edward Teller）和约翰·冯·诺依曼等人则跃跃欲试地想要开发更先进的核武器，尤其是“超级炸弹”，或者说氢弹。1945年7月16日黎明前夕，新墨西哥州的沙漠发生了爆炸，火光照亮了天空，据称“比1 000个太阳还要亮”。而8年半后， 比基尼环礁（Bikini Atoll）也发生了爆炸， 相较新墨西哥州那次爆炸，威力更是强了1 000倍。随着冯·诺依曼提出要发明计算机的想法，氢弹之争也开始加剧，这一形势进一步推动了冯·诺依曼去研究计算机。
计算机在核战之争中发挥了必不可少的作用，有助于我们了解接下来会发生什么。关于“点源解决方案”，1947年，洛斯阿拉莫斯国家实验室发布了一份有关核爆炸产生冲击波的报告。冯·诺依曼解释说：“对于异常剧烈的爆炸来说……我们可以把传统的中央高压区视为一个点源。”这种说法已经足够接近核爆炸的物理现实了，因此，有关核武器效果的初期预测得以实现。
计算机内的数值模拟链式反应启动了计算机之间的连锁反应，正如我们设计之初所设想的那样，机器和代码以爆炸式的速度激增。最具颠覆性和最具建设性的人类发明出现在完全相同的时期，这并不是巧合。只有拥有集体智能的计算机可以帮助我们摆脱武器造成的破坏。
图灵的通用计算模型是一维模型：一串符号编码在一条图灵带上。然而，冯·诺依曼构建的图灵模型是二维的：与我们目前使用的计算机地址矩阵有关。如今呈现在我们面前的是一个三维模型，但整个互联网仍然可以被看作由众多图灵通用机共享的通用磁带。
时间处于何种位置呢？数字宇宙中的时间和人类宇宙中的时间分别受两种完全不同的时钟管制。在人类宇宙中，时间是一个连续体。而在数字宇宙中，时间 （T）是一种可数的、离散的、连续的步骤。最初当T = 0，以及最后当 T 停止时，数字宇宙都是有界的。即使是在一个完全确定的宇宙中，我们也无法找到一致的方法，来提前对结局做出预测。对于人类宇宙中的观察家而言，数字宇宙似乎正在加快步伐；而对于数字宇宙中的观察者来说，人类宇宙似乎正在放缓脚步。
……