冯·诺依曼与计算主义

带有正确程序的计算机确实可被认为具有理解和其他认知状态，在这个意义上，恰当编程的计算机其实就是一个心灵。在强人工智能中，由于编程的计算机具有认知状态，这些程序不仅是我们可用来检验心理解释的工具，而且本身就是一种解释。

——约翰·塞尔

在介绍完人工智能领域的奠基者图灵教授及他的贡献与成就以后，我们来看另一位在计算机领域中做出非凡伟大贡献的学者——冯·诺依曼。他是现代计算机与博弈论的重要创始人，在计算机、量子力学、经济学及人工智能等领域都有重大贡献，同时也是美国原子能计划及氢弹工程的主要负责人，被后人称为“计算机之父”。本节将介绍冯·诺依曼在计算机科学哲学理论方面的思想，也就是关注他在计算机逻辑理论和自动机理论方面的贡献，然后我们要介绍一个重要的思想脉络：认知计算主义。通过计算主义思想和哲学的研究，将图灵与冯·诺依曼的思想和哲学联系起来，为接下来讨论信息文明的思想演变奠定基础。

冯·诺依曼的哲学

我们回顾一下计算机诞生的历史。1944年，冯·诺依曼正在负责美国氢弹研究的工作，而在这个过程中需要解决大量计算问题，因此，他去找当时负责研发人类第一台电子计算机ENIAC的宾夕法尼亚大学电机工程教授莫奇利，希望对方来帮忙解决计算问题。但是，当他看到这台机器的设计方案以后，了解到了这台计算机根本不通用，也无法解决问题。于是，他和莫奇利及他的学生埃利克一起提出了新的设计方案EDVAC，这就是世界上第一台程序控制的通用电子计算机，也是今天所有计算机的鼻祖。那么，为什么将冯·诺依曼称为计算机之父而不是另外两位呢？原因就在于他提出了一种通用的计算机系统结构，并且创造了“冯·诺依曼机”的计算机顶层设计原则。我们今天就是要来分析他的方法论，以及在设计方法时的哲学思想。

首先我们来看冯·诺依曼提出来的计算机的逻辑理论。在他之前的计算机的研究，更多的关注点是诸如电路等技术问题的解决，而他的参与使得计算机逻辑成了计算机研究和开发最核心的工作。1945年6月，冯·诺依曼提出了计算机逻辑的改进方案：第一，用二进制代替十进制成为计算机的逻辑运算的基础，从而提高了电子元件的运算速度。第二，把存储程序放在计算机内部的存储器中，从而形成了“冯·诺依曼机”的计算机系统结构。这种结构的特点如下：其一，将电路设计与逻辑设计分开，为建立理想化的自动机奠定基础。其二，设计了一种通用型的计算机结构，为后来的通用电子计算机的发展铺平了道路。其三，将人的神经系统与计算机作比较，也为之后的人工智能学科的研究开拓了新的方向。正如戈德斯汀所评价的，“就我所知，冯·诺依曼是第一个把计算机的本质理解为行使逻辑功能而电路只是辅助设施的人”。我们在这里看到的就是冯·诺依曼强调逻辑简洁性的应用，即通过最大限度地抽象和简化处理去寻找事物的性质和规律的方法。

然后我们来分析这种方法论的内在逻辑。冯·诺依曼将数理逻辑与自动机理论联系起来，并在哥德尔思想的基础上提出了新的思想方法，正如他所说“就整个现代逻辑而言，唯一重要的是一个结果是否能够在有限几个基本步骤内得到”。因此，他认为我们需要一个高度数学化的、更简洁的自动机与信息理论，也就是将数学和谐性、对称性和简洁性作为计算机逻辑研究的方法论的核心。

这里我们可以将其和哥德尔的方法论进行对比。哥德尔认为可以把数理逻辑还原为计算理论，认为递归函数是能在图灵机上进行计算的函数，因此，可以从自动机的角度看待数理逻辑，反过来，数理逻辑也可以用在自动机的分析和综合领域。而冯·诺依曼则注意到了分析的作用，以及概率的思想在其中的应用，因此，相比哥德尔，冯·诺依曼的方法论更加具备实践价值。

最后我们总结一下冯·诺依曼的计算机科学哲学思想，主要有以下几个方面：第一，他用数学、逻辑和形式化方法定义了计算机的本质，为计算机科学及自动机理论奠定了逻辑基础。通过这种理论方式建立的自动机系统，能够让人类设计足够复杂的计算机，甚至能够模拟人的神经系统，为人工智能领域的发展奠定了基础。第二，冯·诺依曼在计算机研究中所体现的是不断追求数学简洁、对称和形式美的过程，正如吴军在《数学之美》中所说：“一个正确的数学模型应当在形式上是简单的。”因此，我们可以看到自毕达哥拉斯数学自然观延续到现在的对数学哲学和美学的感受。第三，通过对数学美学的追求，冯·诺依曼建立了一种利用抽象形式结构理解世界的方法论，这使得他在其他领域的工作中收获颇丰。这些成就如下：发明博弈论，众所周知，因为博弈论获得诺贝尔奖的纳什是冯·诺依曼的学生；建立数理统计的理论基础；提出量子逻辑和量子机等。

总结一下，我们探讨了冯·诺依曼的方法论和科学哲学思想，并探讨了计算机发明的历史，以及冯·诺依曼在不同领域的贡献。我们可以看到数学思想在计算机研究过程中所起到的重要作用。另外，我们也看到目前的人工智能研究都是基于这样的思想脉络而发展的。接下来我们就要介绍计算主义思想，以及这种思想在人工智能领域的发展过程中所起到的作用。

心智计算理论

计算机的发明不仅带来了人工智能等技术领域的发展，而且带来了一种新的哲学思想：认知计算主义。这种思想的影响基于图灵对心灵和智能的研究，以功能主义代替了行为主义，将认知过程理解为计算过程，认为所谓心理状态、心理活动和心理过程不过是智能系统的计算状态，这种认知计算主义思想就被称为“心智计算理论”，它是广义计算主义的最初领域，也称为狭义计算主义。图灵在20世纪30年代清晰地阐述了“可计算函数”理论，并发明了图灵机这一概念工具，将计算的特征建立在简单的机械步骤上，并将复杂的计算属性和机械属性联系起来，这是整个认知计算主义的开端。我们在这里就来讨论认知计算主义的3个关键里程碑事件，为大家梳理一下认知计算主义的发展脉络及其与人工智能之间的关系。

第一个关键里程碑事件就是人工智能的诞生，尤其是关于强人工智能的猜想。图灵测试概念的最大价值在于，为智能或者心智提出了一个充分条件，即恰当编程且功能正确的计算机可以看作是拥有（和人类一般的）智能的，但是图灵并没有说心智就是机器的运行，只是启发了后来者的思想。我们需要理解的是，自笛卡儿以来的哲学家和科学家不断尝试用技术工具对心灵进行解构，直到图灵的出现才让这一理想成为可能的现实。因此，在1956年达特茅斯会议上众多科学家及哲学家们共聚一堂，并提出了人工智能这一领域的概念，这个领域的基本任务就是图灵命题的工程化，“将尝试去发现如何制造出使用语言，形成抽象思维与概念，解决目前只有人才能解决的问题并且改善自身的机器。”而这种观念就是所谓的“强人工智能”的基本主张，正如美国哲学家约翰·赛尔（就是提出“中文屋”的那位）所说，这种思想的强人工智能不仅具有推理和解决问题的能力，而且有知觉和自我意识，即本身具有思维能力。这个里程碑事件的意义就在于，明确建立了一种信念，认为通过恰当的编程就能使得计算机也可以拥有心灵，这是计算主义思想的发端。

第二个关键里程碑事件就是，1976年纽厄尔和西蒙在综合了图灵和普特南设想的基础上，提出了“物理符号系统假说（PSSH）”。这里简单介绍下其他3位学者。希拉里·普特南是美国哲学家、数学家及计算机科学家，也是20世纪60年代分析哲学的代表人物，他在《精神状态的本质》一书中提出了机器功能主义，用以解释心灵与机器之间的关系。艾伦·纽厄尔和赫伯特·西蒙都是人工智能领域的传奇人物，前者是计算机科学和认知信息领域的科学家，后者是卡耐基梅隆大学的教授及诺贝尔经济学奖的获奖者。

纽厄尔和西蒙因为在人工智能领域的基础贡献，在1975年共同被授予了图灵奖，而这个贡献的核心之一就是PSSH系统的提出。他们将智能主体（当然也包括人）看作一个处理物理符号结构的物理机器，这样的模型可以构建机器智能，也可以用来理解心灵。PSSH指出了计算机与心灵的关系：心灵是一个计算系统，大脑事实上是在执行计算，它与可能出现在计算机中的计算是完全相同的，而人类智能可以通过一组控制着行为和内部信息处理的输入/输出规则得到充分的解释。因此，物理符号系统对智能来说既是充分也是必要的。

第三个关键里程碑事件就是联结主义的提出，这也是当下人工智能深度学习算法热潮的理论基础。通常我们所说的计算往往指的是符号计算，其物理架构以冯·诺依曼计算机器为主，这与人类的神经系统处理有着非常大的差别。虽然在处理有序列的、非自组织的和局部表征性的数据方面有着很大的优势，但是在处理非明确定义的问题，如模糊识别、知识进化和情境认知等场景时，这种计算方式就很难产生好的效果。

1943年麦克洛奇和皮茨发表《神经系统中所蕴含思想的逻辑演算》，提出了形式神经元的概念和最初的神经网络模型。1958年罗森布拉特提出了模拟知觉的感知机模型。1986年鲁梅哈特和麦克莱兰德出版了《平行分布加工：认知结构的微观探索》一书，提出了多层前馈的误差反传算法模型，奠定了联结主义网络模型研究的基础。人工智能网络模型就是由大量的神经元相互联结而构成的具有自适应性的动态系统，每个神经元的结构和功能比较简单，但是大量神经元组合产生的系统，就可以通过训练和学习获得解决复杂问题的能力。

总结一下，我们讨论了心智计算主义思想的3个重要里程碑事件，也找到了人工智能发展的哲学和思想基础。正因为图灵测试的概念提出，让理性主义哲学有了现实层面的工具，能够通过技术去模拟人类的心智。这样的思想带来的不仅是人工智能的发展，也使得科学家与哲学家对这个世界的理解也有了深刻的变化。

计算主义世界观

如果说心智计算主义带来了人工智能的发展，那么广义的计算主义就带来了其他前沿领域的进展及计算主义世界观的发展。近年来的一些前沿理论和技术的发展，如细胞自动机理论、量子信息论及万物算法理论等，都彰显着计算主义世界观的巨大影响力。计算主义世界观与原来的牛顿物理学中将宇宙看作机械钟或者其他动力机器的机械自然观形成了明显的差异，它将宇宙看作巨大的计算系统，将所有的物质过程（包括最小的粒子和最大的天体）都当作宇宙计算过程，这样的世界观不仅对于科学有着巨大的影响，也对哲学产生了巨大的影响。接下来就从3个角度讨论计算主义世界观：本体论、认识论及方法论。

首先我们从本体论角度进行分析，所谓本体论，就是研究世界的本原或者基质的理论。自古希腊以来，哲学家们都试图将世界的存在归结为某种物质的、精神的实体或者某个抽象原则，即对“世界是什么”这一问题的哲学思考。从近代以来，科学的进步带来的最大的改变，就是哲学本体论的变化。牛顿经典力学的出现给中世纪的宗教世界的本体论带来的是一次革命，爱因斯坦相对论的发现对牛顿力学是一次革命，量子力学的出现也是对牛顿经典力学的一次革命。不过，从牛顿力学到量子力学的世界观，仍然是基于粒子的物理世界观，研究的范畴也主要是基于物理世界的粒子存在和运动规律。而计算主义世界观认为，所谓的存在，就是不同的信息形式，所有的物质性事物都是信息性的，物理世界的时间和空间都是离散的，而物理世界中的所有存在物，不管是粒子、场还是时空，都是世界按照程序或者算法所运行结果的显现。进一步说，宇宙的计算机通过程序让世界从简单演化为复杂，让基本粒子演化出生命、心灵和智能。而我们人类本身的大脑及意识，可以理解为宇宙计算机中的虚拟机，我们既是宇宙计算的产物，也同时可以演算和模拟整个宇宙的本质，这就是计算主义世界观带来的本体论上的颠覆。

其次我们从认识论角度进行分析，所谓认识论，就是关于认识的本质和产生发展规律的哲学理论，是哲学的一个重要组成部分，探讨人类认识的本质、结构，认识与客观实在的关系，认识的前提和基础，认识发生、发展的过程及其规律，认识的真理标准等问题，又称知识论。例如，我们经常讨论的唯物主义和唯心主义在认识论上是根本对立的，一切唯心主义的认识论本质上都是先验论，认为认识的主体并不是人本身，认识的客体也不是物质，两者在本质上都是精神性的东西，认识不过是从精神到精神，即精神对自身的认识。而一切唯物主义的认识论都是反映论，它同唯心主义的认识论根本对立。唯物主义认识论从物质第一性、意识第二性出发，认为客观世界是认识的根源，认识是人脑对客观事物的反映。这两种哲学理念都在尝试构建一个世界可以通过某种路径认识或者难以认识的观念，而计算主义则提供了一个新的认识论，即通过简化的程序将复杂的世界演化出来，通过演化或者涌现的思想来理解世界的本质，计算主义世界观提供了一种确定世界是可认识的且可以还原的认识论。

最后我们从方法论角度进行分析，由于计算主义世界观将宇宙及其中的万物都当作可计算程序运行的结果，因此，作为方法论，计算主义提供了一个新的世界图景，如随着数字经济和人工智能的崛起，智慧城市、数字地球及超级智能大脑等研究领域不断兴起，我们可以看到计算主义世界观经历了3个阶段的发展，逐渐完善了计算主义的方法论：第一个阶段就是前文所提及的，人们将智能或者心灵活动当作计算的过程，无论是符号主义哲学还是联结主义哲学，都将认知看作计算过程，因此，人工智能学科也就诞生了。第二个阶段，人们开始把生命的本质当作计算，冯·诺依曼通过对生物自我繁殖逻辑的分析，发现任何自我繁殖的系统就是一个算法系统。他从细胞自动机的角度思考自繁殖机器的问题，得到了自我复制的逻辑机器模型，从而奠定了人工生命学科的基础，这个部分我们下一章会详细讨论。第三个阶段中人们开始将整个世界的本质看作计算，沃夫拉姆在《一种新科学》中系统论述了将宇宙当作计算机的理论，而物理学家惠勒也提出了“万物源于比特”的计算主义命题，量子计算学者劳埃德在《程序化的宇宙》中将宇宙看作量子计算机来观察，这一系列成果都是计算主义世界观思想的体现，也是计算主义方法论的落地。

总结一下，我们讨论了计算主义世界观，从本体论、认识论和方法论3个角度进行了讨论，理解了计算主义世界观带来的颠覆性认知。一方面，我们看到了冯·诺依曼及图灵等人的贡献，使得计算机、人工智能等领域产生了巨大的变革；另一方面，我们也注意到计算主义思想在数学、生物学、物理学及哲学等学科中是如何生根发芽的，我们后面会对这个主题进行更加细致的讨论，来帮助我们建立对未来智能时代和信息文明的基本认知。