ALAN TURING. Turingův stroj

Transkript

1 Bývá označován za otce moderní informatiky. Zcela právem. Publikoval základní myšlenky o moderní počítačové architektuře a založil teorii algoritmů, jeden z pilířů počítačových věd. Měl zásadní podíl na rozlomení německé šifry Enigma......, po válce patřil mezi stěžejní osobnosti vznikající kybernetiky a byl průkopníkem v oblasti umělé inteligence i ve studiu komplexních systémů. Pan Turing se musel potýkat s tehdejšími zákony a my to nemůžeme vrátit. Zacházelo se s ním nespravedlivě a já jsem potěšen, že teď můžu vyjádřit, jak mě to mrzí, a mohu se omluvit. Tato slova řekl v minulém roce britský ministerský předseda Gordon Brown v oficiální omluvě britské vlády, která se týkala tragického osudu britského matematika Alana Turinga. O očištění Turinga žádala vládu petice, kterou inicioval počítačový odborník John Graham-Cumming. Za pouhý měsíc se k ní připojilo 26 tisíc lidí včetně řady vlivných britských vědců a spisovatelů. Jméno otce moderní informatiky se tak opět dostalo na přední stránky světového tisku. Přesto není od věci si životní cestu tohoto obdivuhodného muže připomenout. Alan Turing se narodil 23. června 1912 v Londýně. Jeho otec byl pracovníkem státní správy v Indii (tehdy britské kolonii), matka byla irského původu a mezi jejími předky bylo několik význačných přírodovědců. Rodiče žili v Indii (kam se Turing ani jeho o tři roky starší bratr nikdy nepodívali), takže své dětství trávil především ve společnosti chův a vychovatelů. Ve čtrnácti letech byl přijat na internátní Shelborne School v Dorsetu. Ta však přinesla zklamání. Nesmělý, neohrabaný chlapec měl problémy s vyjadřováním i koordinací pohybů a brzy se stal terčem posměchu a šikany. Z tohoto důvodu se spolužáků stranil a unikal do vysněných světů. Zatímco v anglickém jazyce a latině měl takřka nejhorší výsledky, v matematice a přírodních vědách vynikal. Učitele matematiky několikrát udivil svou schopností vyřešit složité příklady nikoli podle běžných a všeobecně uplatňovaných postupů, nýbrž na základě vlastní úvahy. Později se Turing seznámil s Christopherem Morcomem, který se rovněž zajímal o přírodní vědy a který se stal jeho jediným skutečným přítelem. Vedli spolu dlouhé diskuze o vědeckých teoriích a objevech, o Einsteinově teorii relativity a kvantové mechanice. Díky tomuto přátelství se v Turingovi podnítila intelektuální zvídavost, radost z objevování, ale zároveň mělo pro něj i hluboký citový dopad uvědomil si svou odlišnost spočívající nejen v chování charakteristickém pro tzv. Aspergerův syndrom, ale i homosexuální orientaci. Byla to jeho první láska, napsal Andrew Hodges, autor jedné z prvních a dodnes uznávané Turingovy biografie. Patřil k ní pocit podlehnutí a zjitřené pozornosti

2 Když Christopher v roce 1930 zemřel na tuberkulózu, byla to pro mladého Turinga nečekaná rána, z níž se dlouho nedokázal vzpamatovat. Aby uctil památku milovaného přítele, rozhodl se, že půjde v jeho stopách. Že se bude věnovat vědecké činnosti, což jeho příteli, který již před ním získal stipendium na univerzitě v Cambridge, náhlá smrt znemožnila. Turingův stroj Rok nato byl Turing napodruhé přijat na King s College v Cambridgi, kde se započala jeho obdivuhodná vědecká kariéra. Ústřední téma, které matematiky v těch letech ovládalo, se týkalo problému nerozhodnosti (Entscheidungsproblem), což byl pojem zavedený německým matematikem Davidem Hilbertem. Tento problém spočíval v otázce, zda existuje postup (algoritmus), který by uměl rozhodnout, jestli je dané matematické tvrzení v daném formálním jazyce pravdivé nebo nepravdivé. Kurt Gödel vyjádřil domněnku, že takový postup neexistuje, což vyvolalo mezi matematiky pozdvižení. Jestliže se dosud teoreticky předpokládalo, že lze nalézt odpověď na všechny matematické otázky, Gödel se domníval, že musí existovat určité množství otázek, jež stojí mimo dosah logického důkazu, takzvané nerozhodnutelné otázky. Protože matematika byla dosud považována za všemocnou disciplínu, bylo toto zjištění pro většinu matematiků šokující. Diskutovalo se zejména o tom, jak identifikovat nerozhodnutelná tvrzení. Šestadvacetiletý Turing do této debaty přispěl článkem O vyčíslitelnosti (On Computable Numbers), který se záhy stal jedním z nejvlivnějších matematických textů první poloviny 20. století. Kladl si v něm otázku, jak je to s výpočetními postupy. Zda je možné podle každého výpočetního algoritmu také dovést výpočet ke konci. Jinými slovy, Turing problém vyčíslitelnosti rozložil na jednotlivé kroky. Aby identifikoval nerozhodnutelné otázky, navrhl koncept abstraktního stroje, jehož základní vlastnosti jsou jádrem všech moderních počítačů. Toto zařízení, označované jako Turingův stroj, je zkonstruováno tak, aby provádělo matematické operace neboli algoritmy v pevně stanoveném sledu kroků. Mají-li se například vynásobit dvě čísla, je instrukce k této operaci vložena do stroje v podobě papírové pásky, přičemž výsledná hodnota se zapíše na jinou pásku, která slouží k další operaci. Na základě tohoto idealizovaného stroje, simulujícího podstatu lidské mysli, Turing vytvořil představu stroje, jehož vnitřní chod by se dal měnit tak, aby mohl vykonat všechny funkce všech představitelných Turingových strojů. Pomocí této hypotézy, univerzálního Turingova stroje, pak dokázal, že Gödel se nemýlil. Že existují matematické operace, nevyčíslitelné funkce, které nemohou být napodobeny logickými operacemi jeho zařízení.

3 Ačkoli tento výsledek přinesl matematikům zklamání, na oplátku Turing formuloval další velmi důležité poznatky. Především byl univerzální Turingův stroj teoretickým projektem počítače, založeného na programování. Prozření, že programy a čísla se jedny od druhých neliší, přineslo dalekosáhlé důsledky, které vědecká obec začala plně doceňovat až podruhé světové válce. Vedle toho mladý badatel přišel s teorií, že krok za krokem prováděná analýza toho, co to je logická operace a co to znamená provádět výpočet, se může hodit k popisu činnosti mozku, čímž se stal průkopníkem umělé inteligence. Co se týče problému nevypočítatelnosti, je třeba dodat, že nezávisle na Turingovi dospěli ke stejnému výsledku američtí matematici Alonzo Church a Emil Post. Jejich přístup byl sice odlišný, ale vedl ke stejnému závěru: matematiku nelze uchopit žádným konečným systémem axiomů, matematika se skládá ze dvou částí: vyčíslitelné a nevyčíslitelné, z konečna a nekonečna. Prolomení nerozluštitelné šifry Že se ve válce o vítězi nerozhoduje pouze na bojištích, ale také v jejich zákulisí, dnes nikoho neudiví. Zásadní význam mají informace, které si nepřátelská vojska předávají. Ty ale není snadné získat. Instrukce a rozkazy velitelům na frontách bývají zasílány v co největším utajení, k čemuž slouží nejrůznější metody šifrování, zabezpečující, aby se strategické informace nedostaly do nepřátelských rukou. Nacistické Německo od počátku disponovalo kryptografickými přístroji Enigma, jejichž šifry byly všeobecně považovány za nerozluštitelné. Stěžejním úkolem tajného týmu v Bletchley Parku, jehož byl Turing členem bylo prolomení Enigmy. Turing byl tímto intelektuálním dobrodružstvím nadšen. Válečná doba se paradoxně stala nejšťastnějším obdobím jeho života. Navrhl postupy, které ve spojení s tajnými informacemi od polských kryptoanalytiků a informacemi získanými britským námořnictvem a výzvědnými službami nakonec umožnily prolomení šifry. Jedním ze způsobů, které vedly ke zdárnému výsledku, bylo využití výpočetního elektromechanického zařízení, jemuž se říkalo bomba. Několik postupně vylepšovaných verzí těchto bomb, které navrhli Alan Turing společně s Gordonem Welchmanem, představovalo jeden z rozhodujících kroků pro dešifrování Enigmy. Pro zajímavost uveďme, že tým kryptoanalytiků v Bletchley Parku osobně navštívil i britský premiér Winston Churchill. O tom, jakou důležitost neválečnému úsilí rozluštění německé šifry přikládal, svědčí jeden z Churchillových příkazů: K okamžitému vyřízení. Zajistěte, aby v Bletchley dostali vše, co žádají, s nejvyšší možnou prioritou, a ohlaste mi, že se tak stalo. Díky této podoře bylo koncem roku 1942 zřízeno nové pracoviště severně od Bletchley Parku, vybavené takřka padesáti bombami, na nichž se pracovalo doslova ve dne v noci.

4 Vedle rozlomení Enigmy, což je jeden z nejpozoruhodnějších výkonů v dějinách kryptoanalýzy, uspěl tým britských kryptoanalytiků i v dešifrování italských a japonských tajných zpráv. Zpravodajské informace z těchto tří zdrojů se označovaly jménem Ultra. Díky nim získaly armády Spojenců výhodu na všech bojištích, v severní Africe, ve středomoří a zejména při spojenecké invazi na evropský kontinent, kdy v měsících předcházejících dni D poskytovaly zprávy rozšifrované v Bletchley takřka přesný obraz rozložení německých vojsk podél francouzského pobřeží. Dnes je nepopiratelné, že intelektuální výkon týmu v Bletchley byl jedním z významných faktorů spojeneckého vítězství. O tom svědčí i slova sira Harryho Hinsleye, který se domnívá, že bez rozluštění Enigmy by válka skončila až v roce Turingovy zásluhy při luštění náročných šifer byly v podstatě stejně důležité jako zásluhy nejvýznamnějších britských polních maršálů a admirálů. Jen se o nich dlouhá léta nevědělo. Podrobnosti o prolomení Enigmy, o tomto milníku v dějinách počítačů a informatiky, byly zveřejněny až dvacet let po Turingově smrti Mohou stroje myslet? Alan Turing byl ve Velké Británii považován za vědce, který znal lépe než kdokoli jiný možnosti počítače. Z tohoto důvodu jej hned po válce oslovili pracovníci Národní fyzikální laboratoře (NPL), zda by nechtěl spolupracovat na projektu elektronického počítače po vzoru amerického ENIACu. Turing okamžitě přijal a do konce roku 1945 vypracoval rozsáhlý plán velkého programovatelného počítače nazvaného Automatický počítací stroj (Automatic Computing Engine, ACE). Projekt bohužel nebyl z důvodů nedostatku financí dokončen. Naléhavé válečné potřeby, jež umožňovaly financování Turingovy práce na dešifrování, už pominuly, takže ACE nakonec zůstal pouze konceptem. Byla sestrojena pouze zmenšená verze, ale než byla zprovozněna, odešel Turing na univerzitu v Manchesteru, kde se společně se svým bývalým učitelem a kolegou z Cambridge věnoval jednak problematice programování, jednak teoretické práci v oblasti umělé inteligence a biochemie. Praktická část jeho činnosti na univerzitě v Manchesteru zahrnovala vývoj programu pro manchesterský Mark 1, počítač, kde bylo pro ukládání informace využito tří katodových trubic podobných elektronkám v obrazovkách radarů. Byl to vlastně první elektronický stroj s číslicově uloženým programem. Na jeho základě krátce nato v Cambridgi vznikl Elektronický automatický kalkulátor se zadrženou pamětí (Electronic Delay Storage Automatic Calculator, EDSAC), zřejmě první počítač s programem uloženým v paměti, který byl schopen provádět užitečnou práci. O Turingově přínosu svědčí i pozvání do Spojených států od amerického matematika Johna von Neumanna, autora architektury počítače EDVAC, který velmi stál o to, aby mohl s věhlasným britským matematikem spolupracovat.

5 V teoretické práci se Turing věnoval problematice umělé inteligence. Vyslovil optimistické přesvědčení, že v budoucnu bude možné konstruovat stroje nadané inteligencí. V článku Inteligentní mechanismy (Intelligent Machinery) napsal, že na lidský mozek je třeba se dívat jako na počítač, a popsal zde svou představu učících se strojů. Pomocí darwinovské analogie ukázal, jak by stroje mohly probádat řešení problémů tím, že budou napodobovat způsob, jakým příroda kombinuje geny. Na přelomu 40. a 50. let minulého století se zaměřil na studium funkce mozku živých bytostí. Na základě studia morfogeneze formuloval jako první matematický popis vzniku nelineárních obrazců, což byl jeden z kroků, který později přivedl vědce ke studiu fenoménu samoorganizace a komplexity. Otrávené jablko Alan Turing, jeden z mužů, kteří rozpracovali teoretické základy číslicového počítače a umělé inteligence, nebyl jednoduchým člověkem. Spolupracovníci ho oslovovali pane profesore, ale byl pro většinu z nich podivínem, jemuž nerozuměli. Rozkvět Turingovy neobyčejně plodné vědecké činnosti byl náhle přerušen aférou, která se z dnešního pohledu jeví nepochopitelnou. Jestliže univerzitní prostředí Turingovu výstřednost a homosexualitu do značné míry tolerovalo, širší veřejnost té doby toho schopna nebyla. Když v roce 1952 vyšetřovala policie krádež v jeho bytě, Turing naivně přiznal, že je gay a že krádeže se pravděpodobně dopustil jeden z jeho náhodných partnerů. Protože tato sexuální orientace nebyla v Anglii těch let tolerována, byl obviněn ze sexuálních přestupků. Záhy nato musel čelit jak soudnímu procesu, tak řadě urážlivých anonymů ( Turing říká, že stroje myslí. Turing spí s muži. Stroje tedy nemyslí. ) Aféra způsobila, že byl zbaven bezpečnostního prověření. Myšlenka, že by mohl začít spolupracovat s von Neumannem, se rozplynula, neboť nedostal vízum do Ameriky. Aby se vyhnul vězení, které mu za přečin hrozilo, přistoupil na hormonální léčbu. Ta mu ovšem způsobila značné zdravotní problémy a ve spojení se společenskou izolací, do níž se dostal, jen posilovala jeho deprese. V roce 1954 si uvědomil, že už není s to tomuto stavu čelit a v zoufalství se rozhodl ukončit život vlastní rukou. Ještě za studijních let viděl disneyovskou pohádku o Sněhurce, v níž je scéna s otráveným jablkem. Později přátelé vzpomínali, že o ní občas hovořil, ale nikoho nenapadlo, že se jí bude inspirovat.

6 Jednoho červnového dne roku 1954, krátce přes svými dvaačtyřicátými narozeninami, ponořil jablko do kyanidu draselného, snědl několik soust a zemřel. Tím se uzavřel život jednoho z nejpozoruhodnějších vědců 20. století, člověka, který nejenže položil základy teorie moderní informatiky, ale jehož válečné zásluhy při prolomení nepřátelských šifer patrně zachránily statisíce lidských životů. Turingova práce na analýze tajných kódů během druhé světové války byla nejdůležitějším příspěvkem jednotlivce k vítězství Spojenců, řekl jeden z jeho spolupracovníků z Bletchley Parku.