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楚泽诞辰百年祭
gl6866 2010-7-1 17:43
今年是数字计算机之父楚泽(Konrad Zuse,1910-2010)诞辰百年祭。康楚泽于1910年6月22日出生于维尔梅斯多夫(Wermsdorf),1995年12月18日逝世于黑森州小城许恩费尔德(Hnfeld)。在他诞辰百年那一天Google德国的首页上,出现了纪念楚泽的logo,以缅怀他对数字计算机的发明所做出的开创性工作。 楚泽(1910-2010) Google德国首页上的纪念Logo 说起楚泽,就不能不提到他于1941年设计制作成功了世界上第一个有完备程控功能的图灵计算机Z3(该方案使用了打孔机),在数字计算机领域,这是他最大的成就。但并没有引起德国当局的重视。1944年,Z3在盟军的一次空袭中被炸得粉身碎骨,楚泽所制造的另一台类似的计算机Z4扔在巴伐利亚乡村农舍的地窖里无人问津。人们在战后才得知,楚泽的继电器计算机是世界上第一台二进制电子运算机器。此前他还发明过S2,也属于第一个程控计算机,其目的是帮助Werke公司的HS-294,是一款数模转换器,后来成为现代巡航导弹控制部件的前身。 他的早期教育是在文化传统相当保守的东普鲁士完成的。为获得更好的发展,他进入一所比较开放的学校,直到高中毕业。1927 年,楚泽考进了现在的柏林工业大学,学土木工程建筑。他从小爱好绘画,有很好的美术功底,因此很快就学会了如何设计房屋结构和外观。然而,他却对建筑中各种计算讨厌透了。大学毕业后,楚泽在某飞机制造厂谋到一份差事,在飞机制造厂同样也要做各种更为令他头痛的计算工作。 不论你是否喜欢与否,计算是必须的,必须按公式计算出结果。不管是在大学读书还是在飞机厂工作,往往一整天都算不完一道强度核算题目。在疲惫不堪之余,楚泽突然发现,许多公式是固定不变的,所做的只是向这些公式中填数据,向这种单调的工作,完全可以交给机器做的。楚泽的这个思想可以说与莱布尼茨(Gottfried G. Leibniz,1646~1716)不谋而合,让机器干那些枯燥的计算工作而把大脑解放出来! 于是1935年,楚泽想制造一台计算机的愿望愈来愈强烈,因而在就业后短短的几个月,他向父母正式宣布,他已辞职,想把客厅用作自己研制全自动计算机的工作室。楚泽的决定令父母吃惊不小。他们知道,楚泽一向迷恋创新和发明,只是他一点也不喜欢数学。上小学时,据说他更喜欢在算数课上给老师画漫画,总是懒得将一行行数字从黑板上抄下来。在大学主攻土木工程学期间,他也对计算忍无可忍。以后他经常喜欢说我实在懒得计算,这也是他日后发明计算机的原因所在,楚泽一心想发明一台能够计算的机器。 楚泽于1936年就制作成Z1计算机,但他本人几乎被人遗忘了几十年。实际上,楚泽的Z3是当时世界上最高水平的编程语言的计算机,他的这台机器要比美国哈佛大学的Mark I早好几年。楚泽不幸生在战争时期的德国,在很长一段时间得不到承认。希特勒战败后,楚泽辗转流落到瑞士的乡下,转而研究计算机演算理论。他也是通用计算机编程语言的发明者。不过直到1962年他的发明才得到认可,并获得8个荣誉博士头衔以及德国大十字勋章。直到1962年,他才被确认为计算机发明人之一,并被称为计算机之父。楚泽生前写过一部自传《计算机:我的一生》(Computer: My Life) 楚泽与他Z1计算机的复制品 1995年,比尔盖茨拜谒了楚泽。有趣的是,这位即将去世的计算机鼻祖为借计算机而成为世界首富的盖茨画了一幅肖像。直到现在,盖茨还把这幅肖像画挂在自己的办公室里。 楚泽与盖茨(1995,德国) 楚泽的另外一个理论上的贡献,或者说非常有想象力的贡献,便是于1967年提出了楚泽论题(Zuses Thesis)。该论题的内容就是断言宇宙就是台巨大的计算机!这恐怕也是最疯狂的一个论题了!我曾于5月份在清华大学逻辑之门 2010Workshop上做了一个报告,题为从楚泽论题到模态信息论( http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=329167 )。 我在逻辑之门2010上的报告 霍斯特楚泽(Horst Zuse)常被问到:你是楚泽的儿子吗?
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我在“逻辑之门 2010”Workshop的报告
gl6866 2010-5-27 10:32
清华大学哲学系和中国社会科学院哲学所逻辑室于5月22日至23日在北京西郊宾馆举办了一次中国逻辑之门 2010的workshop。其目的是为了庆祝国际著名逻辑学家范本特姆(John van Benthem)的论文集在中国出版。目前这项出版计划已经完成过半。我应邀做了一个报告,题为从楚泽论题到模态信息论。由于参加这次会议的不仅是中国人,而且还有数位外国专家,这就要求中国人也要讲英文。在国人面前讲英文已经觉得够别扭了,还要用英文准备slides.因此,我也要准备相应的slides。我真不清楚,以前我们没有powerpoint那些个年代,学术会议都是如何开的。所以有人说:Power corrupts and powerpoint corrupts absolutely.但眼下将自己讲的内容制作成Slides已成风气,否则就大有out的意味。因而我也不得不把这个fashionable cheat展现出来。我觉得用slides有两个不那么好的地方,一是分散听众的注意力,二是为报告人增添许多额外的工作。或许这样就更先进些了?不清楚,大家看吧。在这次workshop上只有一位没有用,他就拿了一张纸,但他的话题却引起挺多人的讨论。 我在Workshop上做报告 我的报告提纲 我的报告结束后范本特姆在提问
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楚泽与楚泽论题(4)
gl6866 2010-5-8 11:04
第二部分 之于楚泽论题,既有赞成,也有反对的意见。在此,我首先要简单提一下该论题提出的背景。 首先,物理学家总是希望找到一种能解释一切的万有之理(a theory of everything),根据著名物理学多伊奇(David Deutsh)的说法,所谓万有之理有两个版本。一个是由于知识的不断增加而导致旧的理论被包含在新的理论之中,如牛顿力学被爱因斯坦的相对论所包含的那样。而另一种则是某些物理学家所寻求的大统一理论。其目的是将物理学已知的所有基本力引力、电磁力、核力统一为一个理论。前面的那个版本的万有之理是有一定道理的;但后者却走入了死胡同。 其次,非定域性(nonlocality)的问题随着远程传态得到了验证,这恰恰给持有实在论观点的物理学家致命一击。例如,爱因斯坦就不相信他所谓的量子力学中的鬼魅效应。这种鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)在众多实验中一再出现,因此直到过世前他都没有完全接受量子力学是一个真实而完备的理论,一直尝试找到一种更加合理的诠释。爱因斯坦是位实在论者,他不接受这种spooky的现象是可以理解的。上个世纪,爱因斯坦曾经和物理学家玻尔(Niels Bohr,18851962)的争论就是一个典型的例子,爱因斯坦甚至说出这样绝情的话,量子论越是成功,它看起来也就越傻。(The more success of the quantum theory is, the sillier it looks.) 从某种意义说,物理学家基本都是实在论者,这与他们原子论学术传统有关系,总是希望找到一个踏踏实实的落脚之地。既然物理学家无能为力,那就让楚泽试试吧!实际上,楚泽也是希望建立一种万有之理。尽管他并没有宣称在精确的算法计算中,我们的宇宙中有一个万有之理。但他还是比较仔细的。譬如,在他1967年发表在 Electronische Datenverarbeitung 上的文章的第337页中说,目前在尚无完全的物理学的数字模型,但这却不能阻止他追问:将自然定律完全离散化的后果会是个什么样子?由于缺乏完整的自动机理论导向(automata-theoretic)的关于宇宙的描述,他只能研究一些简单的模型。他讨论了根据周围元胞的值更新相邻元胞的现象,实现了基本粒子的传播、创生和湮灭。在第341页他写道,在所有这些例子中,我们都涉及到各种人们熟知自动机元胞自动机。在文献中他引证了冯诺依曼1966年的著作:《自我复制的自动机理论》( Theory of Self-reproducing Automata )。在第342页,他简单地讨论了相对论与元胞自动机的兼容性的问题。 在第343页,楚泽指出熵增不可能出现:如果我们考虑宇宙是一台巨大的元胞自动机,那么它就不会受到外面的影响,从而这个系统的信息内容就不可能增加。但是,他1967年的论文明确的表明他是该领域的第一份出版物。1969年他又将其扩展为一部书。 楚泽提出宇宙正在由某种庞大的元胞自动机,对长期认为物理学定律本质上是连续的观念提出了挑战。楚泽尽可能将其讨论集中在计算的底层,并指出(除此之外)经典的熵的概念其熵增在决定论的计算的宇宙中是没有意义的。 贝尔定理有时被认为与楚泽论题相悖,但在决定论的宇宙中贝尔定理却不能应用,这一点贝尔自己就曾指出过。海森堡的测不准原理呢?也同样如此。该原理的适用范围只限于观察者能够观察的范围,当观察者本人是他企图观察的这个宇宙的一部分时,这条原理也无法逃脱楚泽命题,因为它将任何观察者都视为假定是决定过程的一部份。因此,也就不存在任何含混不清的物理学证据来反对万物仅仅是计算的可能性,自从楚泽的出版以来,有关数字物理学的成果倍出。 荷兰1999年诺贝尔得主Gerard t' Hooft说。他原则上同意楚泽的决定论。因为量子物理学、量子计算、海森堡的测不准原理以及贝尔不等式等并未提供任何物理学的证据来反对关于元胞自动机计算的宇宙的楚泽论题!
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楚泽与楚泽论题(3)
gl6866 2010-5-1 16:36
第一部分 从现在其开始切入关于楚泽论题的正题。 爱因斯坦说过,一个概念愈是普遍,愈是频繁地进入人们的视野,我们要想理解它们的意义也愈困难,计算就是这样一个概念。人类早就学会了加、减、乘、除等运算,但直到20世纪30年代以前,还没有什么人能真正说清楚计算的本质是什么。从20世纪30年代开始,由于哥德尔(Kurt Gdel,1906-1978)、丘奇(Alonzo Church,1903-1995)和图灵(Alan Turing,1912-1954)等人的工作,人们终于对计算的本质有了清楚的理解,由此形成了一个专门的数学分支:递归论和可计算性理论,从而导致计算机科学的诞生。 楚泽论题正好与计算机,而且是庞大的计算机有密切关联。楚泽论题是他于1967年和1969年的两项研究的成果。前者是后者的一个摘要,发表在 Electronische Datenverarbeitung ,8,336-344。题目叫 Rechnender Raum (《 计算机运作的空间 》)。1969年,他以同样的题目将其扩展为一本只有70页的小册子。该书1970年被译成英文,叫 Calculating Space ,由麻省理工学院出版社出版,有人认为,这是第一部有关数字物理学(digital physics)的著作。这是它的科学名称;而在哲学领域则有对应的数字本体论(digital ontology)、数字形而上学(digital metaphysics)和数字哲学(digital philosophy)。那么究竟什么是楚泽论题呢? 楚泽论题大致由五个部分组成: 论题一、宇宙的本质(时间、空间以及时空中的每个实体和过程)都是离散的。这个论题与其他三个是有密切关联的。 论题二、宇宙能像整数的离散值那样进行适当的建模。 论坛三、宇宙的演进(状态过渡)是可计算的,就像(假定是短的)算法的输出那样。 论题四、主导宇宙的定律是决定论的。 论题五、信息要比物质和能量更基本。 论题一和论题二揭示了数字本体论的新毕达哥拉斯主义:实在能被分解为终极的、离散的不可分的状态。哲学家们迄今为止尚未对数字的(digital)和模拟的(analogue)的精确定义达成一致。但是他们接受所谓数字的必然性质就是它是离散的。 论题三以计算的术语解释了新毕达哥拉斯主义的本体论:最终的、离散的不可分状态实际上就是可以计算的位数(digits),出于典雅以及奥卡姆剃刀的原因,要求算法理论尽可能简单。因此,数字本体论基于两个概念:比特(bits):计算机内的二进制数字对应于表征最微观层面的状态信息;以及时间演化的状态是数字信息过程,与计算机过程的线路类似。总之,我们被一短小的算法所支配。 至于论题四,支持数字本体论者是论题一到三的直接后果,而且明确与爱因斯坦不接受宇宙的内在本质可能是概率性的(上帝不掷骰子)有关。根据决定论的状态过渡的物理定律的分析,这一建议可能在表面上与量子现象的概率性本质兼容,因此也使它具有充足的灵活性来克服其他批评。 至于论题五明显是强调 比特( binary digit,简称bit)取代原子(atom) 成为主导地位 。这便是惠勒(John A. Wheeler,1911-2008)所谓的It from Bit的另一种表述 楚泽论题(ZT):宇宙正在被某种巨大的离散计算机以决定论的方式计算着。 该 计算机可能(could be)是一台巨型元胞计算机(楚泽,1967),或一台通用图灵机(Schmidhuber,1997); 这便是持有数字本体论立场的学者所总结出来的。 楚泽论题提出后引起很大的争论,有人对它表示赞同,同时也有人反对。赞成的人包括弗里德金(Edward Fredkin)、施密德胡伯(Juergen Schmidhuber)、沃尔夫勒(Stephen Wolfram)、荷兰的诺贝尔奖得主特胡弗特(Gerardus 't Hooft)以及蔡廷(Greg Chaitin)等。他们认为量子物理学典型概率性本质与可计算性的观念并非不兼容。最近,有劳埃德(Seth Lloyd)提出了一个数字物理学的量子版本( Programming the Universe )。劳埃德将其理论称为量子力学的(quantum mechanic)。可是,他同时也认为将宇宙设想为一台计算机是有争议的。 涉及到楚泽论题,某些人企图将单个物理粒子等同与简单的比特。譬如说,电子这种粒子在量子态下相互转换,可以比作从一个比特(0)转换为另一个比特(1)。这样就足以描述某给定的粒子的单个量子开关。如果实在是有基本粒子构成的而它们的行为可以由它们的量子开关所执行,那么实在作为一个整体就可以由比特进行描述。每个状态都是信息而每个变化都是信息中的的变化。据此可以得出结论,一台能够模拟宇宙的计算机要有10 90 比特的存储能力来操作。它可能是个模拟。如果情况果真如此,那么建造这样一台超级计算机就会是不可能的。 虽然人类无法建造如此强大的计算机,但却知道,计算就是基于规则的符号串的变换过程。从一个已知的符号串开始,按照一定的规则,一步一步地改变符号串,经过有限步骤,最后得到一个满足预先规定的符号串。比如,从1+1变换成2,就是一个加法计算;从x 变换为3x 就是微分计算。按这个定义,文字翻译等也都是计算,因为它们都是一种符号串变换过程。数学家已证明,凡是可以从某些初始符号串开始在有限步骤内得到计算结果的函数都是一般递归函数,或者说,凡是可计算的函数都是一般递归函数。这与物理学有很大区别,计算不去预测什么,而是根据现有状态推知未来状态,是一种扩展的推理(ampliative inference)。 当代世界正处在新的历史转折时期,比特(binary digit,简称bit)取代原子(atom)的主导地位是其标志性特征之一。原子思想的源头是古希腊原子论,而比特思维的先驱是中国的《易经》。我曾在 算法为王的世纪 、 二进制算数与先天图 、 莱布尼茨与他的二进制级数 、 莱布尼茨与易学的数理派 以及 通向信息哲学的东方进路 有所议论,在此不须赘述。 Rechnender Raum 楚泽论题:宇宙是台计算机 宇宙是计算机吗? 劳埃德的著作
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楚泽与楚泽论题(2)
gl6866 2010-4-29 09:37
科技发明问题往往涉及到发明权的问题,而且,诸如此类的话题,也会引起国与国、人与人、事与事的关系。这些都是科学史家的课题,譬如,莱布尼茨和牛顿发明微积分的发明权,便是科学史上的一个悲剧性的公案。而这篇博文也要涉及一点计算机问世的先后的问题。也就是所谓的发明权的问题。楚泽的工作要比英美人的工作要早,应该说英美人不知道他的工作。楚泽甚至没有听说过巴贝奇(Charles Babbage,1791~1871)和霍列瑞斯(Herman Hollerith,1860~1929)这些英美前辈的名字,也许他是学土木工程的,隔行如隔山。 按理说,19世纪计算机的基本原理在巴贝奇时代就已经解决,所以有人称巴贝奇是计算机之父。他设计过的计算机器有差分机、分析机和第二个差分机。其中第二个差分机在1849年设计出来却在有生之年只实现了很小一部分。这台机器可以进行相当复杂的数学计算,具有31位精度,蒸汽机驱动。可是巴贝奇之所以失败的关键是后面的一大堆逻辑开关问题。而这些问题是在20世纪解决的,可在19世纪却未能解决。是他提出了带有程序控制并完全自动的计算机的梦想。由于这个思想超越了当时的计算可能性,未能实现。 第一台真正的程序控制的通用机电式计算机分别由楚泽和美国的艾肯(Howard Aiken,1900~1973)等人完成。楚泽的工作要早于美国人。但当时美国人并不知道楚泽的工作。楚泽花了两年时间完成了Z-1型计算机,它全是用机械元件组成,而这也是它不能顺利满足工作要求的原因。在Z-1型计算机研制城后,楚泽由马上研制了下一个方案,其中线路元件采用了电磁继电器,这就是Z-2型计算机。二战爆发,楚泽这种单干户的主动精神和自己的财力在战争期间都是无法实现的。首先,他被要求服兵役,但由于走后门的关系,他又回到了原来的飞机制造厂工作,完成了一种特殊的计算机S-1,用于优化空投炸弹时的机翼抖动稳定性。其次,战火连绵使得楚泽的工作结晶受到破坏。例如,Z-3 计算机正常工作了3年后,1944 年,美国空军对柏林实施空袭,楚泽的住宅连同Z-3 计算机一起被炸得支离破碎。 Z-3计算机完成于1941年。这台全用电磁继电器制成的机器乃是世界上第一台程序控制计算机。工作程序由八道穿孔的普通电影胶卷提供。机器执行八种指令,包括四则运算(其中有五种乘法指令)和求平方根。全部运算都采用浮点二进制。机器字长22个二进位;14位数码和1位符号。加法时间0.3秒,乘法4~5秒。整机使用2600个继电器,其中600个用于运算器。用继电器做的存储器容量是64个字。1945年楚泽在Z-3型机的基础上改进为Z-4型。那是纳粹德国战败前夕,为了避免Z-4重蹈Z-3的覆辙,楚泽便带着他的Z-4型计算机躲进了瑞士和德国交界处的欣特斯泰因(Hinterstein)的一个小村子。继续完善他的Z-4型计算机。 纳粹德国战败后,从瑞士山区欣特斯泰因某偏僻小镇传来惊人的消息:在地窖里发现了德国研制的先进计算机。两名英国情报官闻讯赶到当地,可怎么看那台机器也不像是德国的先进计算机,顶多也就是某个印刷厂遗弃的排字机而已。这就是英国人不识货。殊不知,这便是大名鼎鼎的Z-4计算机。1945年楚泽带着研制成功的Z-4型计算机成立了一家小公司楚泽计算机公司(Zuse-Apparatebau)。当时,在欧洲仅有这家公司生产计算机。这一型号的计算机由于可靠性高,一直用到1959年。1950~1954年用于瑞士综合技术学院,1955年到1958年用于法国国防部。这时,美、英计算机界才相信德国有位建筑工程师,比他们更早地研制出程序控制数字计算机的事实。 早在1938 年,楚泽和他的朋友已经在考虑用2000 个电子管和其他电子元件组装新的计算机。当他在战后听说美国宾夕法尼亚大学早已研制出电子管计算机的消息,不禁感叹地说:我所能做的,仅仅是摇摇头而已。甚至他在1941年为Z-3计算机提出的专利申请,到了1967 年,法官仍然拒绝受理,理由是缺乏创造性。直到1962 年,他才被确认为计算机发明人之一。大概这就是战败国工程技术人员的命运使然。后来经过专家们对楚泽研究记录和手稿与英美工程技术人员的比对,这才认识到楚泽是计算机领域是先驱之一。因而才授予他如此之多的荣誉。可是楚泽的贡献并不仅在于此,而是他提出的一个极具想象力的论题楚泽论题!而且这个论题对21世纪的理论工作有着相当大的影响。 Z-1型原型机 Z-1型复制机 Z-2型草图(实物失踪) Z-3型计算机(公认的编程计算机) Z-4型计算机(商业化的计算机) 纪念楚泽的明信片 纪念Z-3型计算机的明信片
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楚泽与楚泽论题(1)
gl6866 2010-4-21 19:45
楚泽(Konrad Zuse,1910~1995)是位德国工程师,被全世界承认的数字计算机之父。楚泽在计算机领域内是个单干户,这与英美研制计算机的路数绝对不一样。他不是学计算机专业出身的,而且也没有受到任何政府与研究机构的资助,他在1936年左右研制成Z-1型计算机,又在在1941年研制成Z-3型计算机一台真正现代意义的数字电子计算机。 楚泽1910 年6月22 日生于德国维尔梅斯多夫,他的早期教育是在文化传统相当保守的东普鲁士完成的。为获得更好的发展,他进入一所比较开放的学校,直到高中毕业。1927 年,楚泽考进柏林工业大学,专业是土木工程建筑。他从小爱好绘画,有很好的的美术功底,因此很快就学会了如何设计房屋结构和外观。楚泽兴趣广泛,动手能力强,时常会制作出些稀奇古怪的玩艺,让同学们惊赞不已。同时他也是一位相当出色的画家。在这篇博文中,我们先不去介绍楚泽计算机的制造历史,而是从另一个侧面,即从绘画来了解一下楚泽。我觉得这要比直接切入正题要有意思得多。我们将他的绘画作品分成三个阶段来介绍,第一阶段是1920年代的,第二阶段是1940年代他躲在瑞士山中的几幅版画作品;第三个阶段就是退休后的那段日子。退休以后楚泽全身心投入了他幼时的兴趣绘画当中。他曾以库诺泽(Kuno See)的笔名创作了一些抽象画以及同时代的名人的肖像。在1994年汉诺威信息及通信技术博览会(CeBIT)上他还送给比尔盖茨一幅自己替他画的肖像画。据说他画过100多副油画,而且还曾出售过。 由于他在计算机领域的杰出贡献,楚泽获得了很多荣誉。他一共被授予了八个名誉博士和两个名誉教授的称号,有两个奖章也是以他命名的:一个是德国信息学协会(Gesellschaft fr Informatik)的,另一个是德国建筑行业总会(Zentralverband des Deutschen Baugewerbes)的。1995年起他成为了豪亚斯维尔达(Hoyerswerda)的荣誉市民。同一年因为他的毕生成就,他被授予联邦十字勋章(Bundesverdienstkreuz)这一至高荣誉。在德国电视二台(ZDF)2005年举办的评选中,楚泽荣登最伟大的德国人的第十五位。 以下图片均来自网上,无掠美之意。 楚泽(1910-1995) 霍耶斯韦达步兵操练卡通(1926年) 为学费而做的油画(1926年) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 自画像1(1943年) 自画像2(1944年) 自画像3(1946年) 彩色版画(1945年) 避难于欣特斯泰因村庄的房屋(1945年) 欣特斯泰因村庄的房屋(1985年) 欣特斯泰因村庄版画(1946年) 欣特斯泰因附近Erzberg山的版画(1946年) 欣特斯泰因教堂版画(1946年) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 油画1 油画2 油画3 油画4 油画5 油画6 油画7 油画8 油画9 油画10 油画11
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