構(gòu)建基于模擬的世界觀：圖靈原理回望

吳俊杰

編者按：在過去的2021年，身處科技圈的我們，總會多多少少聽到“元宇宙”這個詞，它是一個龐大的商業(yè)計劃，但也是一個簡單的哲學(xué)命題：我們是否可以復(fù)制或者超越真實的世界?；赝嬎銠C(jī)發(fā)展史，英國計算機(jī)科學(xué)家圖靈做了一個重要的工作，就是提出了一個假設(shè)，相信存在一臺抽象的通用計算機(jī)可以模擬任何物理過程，這個假設(shè)被多次印證之后，被稱作是圖靈原理。當(dāng)我們將物理過程推廣到生命過程或者智能行為的時候，狹義的圖靈原理就被推廣到廣義的層面，我們可以稱其為廣義的圖靈原理。

本年度的信息技術(shù)實驗欄目的選題，仍然關(guān)注信息技術(shù)實驗教學(xué)、人工智能、基于數(shù)據(jù)素養(yǎng)的跨學(xué)科學(xué)習(xí)等之前一直受推動和關(guān)注的領(lǐng)域，但是我們希望用“真實數(shù)據(jù)—模擬—仿真數(shù)據(jù)”這樣一個相對統(tǒng)一的過程，最后通過對“真實數(shù)據(jù)”和“仿真數(shù)據(jù)”判定的不可區(qū)分性來驗證圖靈原理在狹義和廣義層面上的正確性。這可以看作是一種計算機(jī)科學(xué)的“溯源”，也可以作為信息科技核心素養(yǎng)的另一種表達(dá)方式。

相對于圖靈測試，很多人對圖靈原理更加陌生。圖靈原理來自“通用圖靈機(jī)”，認(rèn)為存在一種通用的機(jī)器，可以運行任意的指令，這些指令可以計算物理問題。二戰(zhàn)期間，在處理計算導(dǎo)彈彈道和破譯密碼這兩類不同問題的時候，都可以用同一個計算機(jī)來完成，也就是說現(xiàn)代計算機(jī)就是一種“通用圖靈機(jī)”。而對于通用圖靈機(jī)能夠解決的問題，圖靈做了大膽的假設(shè)，即所有的物理問題都可以用計算機(jī)模擬。只要在一定的精度范圍內(nèi)，在人從感官獲得數(shù)據(jù)的層面上，就很難區(qū)分真實的過程和虛擬的過程。狹義的圖靈原理將物理問題、生命問題和智能問題區(qū)分開來，只研究“物質(zhì)世界”的問題，廣義的圖靈原理則認(rèn)為生命和智能現(xiàn)象也是物理問題，也可以進(jìn)行模擬和仿真。因此，廣義圖靈原理可以被定義為所有的物理現(xiàn)象、生命現(xiàn)象和智能問題都可以用計算機(jī)來仿真，其模擬的數(shù)據(jù)和真實的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計可接受的范圍內(nèi)不可區(qū)分，并且其精度將不斷提高。

從圖靈原理的角度來看圖靈測試，可以得到圖靈在設(shè)計實驗背后的思想來源。圖靈測試被表述為“將人與機(jī)器隔開，前者通過一些裝置（如鍵盤）向后者隨意提問。多次問答后，如果有超過30%的人不能確定被測試者是人還是機(jī)器，那么這臺機(jī)器就通過了測試，并被認(rèn)為具有人類智能”。這個實驗設(shè)計的第一個要點是給定了一個統(tǒng)計上可接受的誤差范圍，就是30%，這相當(dāng)于給定了一個誤差的范圍，這個范圍并不算嚴(yán)苛，以至于圖靈曾經(jīng)樂觀地估計在20世紀(jì)末就應(yīng)該有計算機(jī)通過該測試。這個實驗設(shè)計的第二個要點是關(guān)于數(shù)據(jù)的類型，圖靈選擇了單純的“文字”，而不是包含更多信息的錄音和影像資料，這說明任何模擬在趨近于真實的過程中，都需要設(shè)定數(shù)據(jù)的類型，相當(dāng)于確定在哪個層面上“不可區(qū)分”。

模擬一詞，代表著計算機(jī)科學(xué)發(fā)展的終極需求，它能解釋萬物包括人們自身，同時也動了著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如：語音層面上的圖靈測試，推動了語音識別、語音合成技術(shù)的進(jìn)步;影像層面的圖靈測試，推動著機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實以及現(xiàn)在的元宇宙技術(shù)的發(fā)展。

從現(xiàn)在主流的科學(xué)觀念來看，是不存在“原理”一詞的，這種觀念認(rèn)為，科學(xué)是一種“可證偽”的思考方式，科學(xué)來自猜想的“假設(shè)”，這些假設(shè)可以被實驗數(shù)據(jù)驗證，成為“定律”，也可以被后來更精確的實驗推翻，而形成新的“定律”。當(dāng)構(gòu)建一個類似歐式幾何的理論體系的時候，那些只能被承認(rèn)而無法被驗證的基礎(chǔ)性假設(shè)被稱為“公理”，而基于公理推論出來的一系列結(jié)論被稱為“定理”。所以，“原理”一詞在這種科學(xué)觀念下是沒有位置的，甚至有些人會認(rèn)為“原理”是一種神學(xué)概念而非科學(xué)概念。但是也有例外，如物理學(xué)上的“阿基米德原理”，如今人們?nèi)匀辉谑褂眠@個詞匯，而不是將其稱作是基于浮力實驗數(shù)據(jù)而得出的一個叫“浮力定律”的規(guī)律。其原因是基于下面兩點考慮：一是這個定律提出得比較早，經(jīng)過幾千年的實踐驗證，并沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，因此有上升為“原理”的價值;二是為了紀(jì)念阿基米德在人類科學(xué)史上的貢獻(xiàn)，因此稱其為“阿基米德原理”。而圖靈原理提出的時間比較短，將其稱作是圖靈猜想或者圖靈定律似乎更加合適。但是計算機(jī)科學(xué)的出現(xiàn)，帶領(lǐng)人類走向了“指數(shù)化”發(fā)展的爆發(fā)時代，無數(shù)的基于計算機(jī)仿真的科學(xué)計算，都能夠證明圖靈的假設(shè)的正確性，加上圖靈在計算機(jī)發(fā)展史上有其獨特的貢獻(xiàn)，因此，圖靈原理被稱作“原理”，還是有其合理性的。

圖靈原理是聯(lián)系計算機(jī)科學(xué)與其他科學(xué)的一座橋梁，通常人們把認(rèn)識世界的過程理解為歸納和演繹兩種方法，分別對應(yīng)“猜想—定律”模式和“公理—定理”模式，這兩種模式都著力于構(gòu)建一種描述真實世界某個側(cè)面的模型。而圖靈原理對一系列具體問題的應(yīng)用和實驗驗證的過程，給了人們從計算機(jī)的角度來認(rèn)識客觀世界的一種通用的方法，稱之為圖靈原理驗證實驗的四個步驟：

①建模：從真實的現(xiàn)象中盡可能多地獲取“真實數(shù)據(jù)”，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，進(jìn)行猜想的驗證，生成理論模型。

②仿真：應(yīng)用理論模型，在計算機(jī)上還原真實現(xiàn)象中的數(shù)據(jù)或者現(xiàn)象，生成“仿真數(shù)據(jù)”。

③驗證：確定真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)在驗證圖靈原理的時候所采用的數(shù)據(jù)類型和實驗精度，確定是否仿真數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)在什么程度上不可區(qū)分，驗證“仿真數(shù)據(jù)”等同于“真實數(shù)據(jù)”。

④修正：嘗試新的方法，改進(jìn)“建?！抡妗边^程中的技術(shù)精度和算力水平，使其在更大程度上趨近于圖靈原理的理想狀態(tài)。

圖靈原理驗證實驗是一個通用的實驗設(shè)計框架，其對信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計給出了一種新的教學(xué)思路。我們可以將任何的自然科學(xué)和社會科學(xué)的研究成果和過程，作為信息技術(shù)教學(xué)的教學(xué)資源，從數(shù)據(jù)的角度重新做一遍，建模和仿真兩個步驟則可以合成一個詞匯“模擬”，其中的“?！贝斫５倪^程，“擬”代表仿真的階段，“真實數(shù)據(jù)—模擬—仿真數(shù)據(jù)”的過程提供了一個新的世界觀，信息技術(shù)不再只是一種工具，而是編程的一種信念，我們需要將現(xiàn)實世界“搬運”到虛擬世界，并不斷構(gòu)建和修正它，使其盡可能地接近現(xiàn)實世界。在“元宇宙”的時代，這種修正行為除了發(fā)生在真實世界和虛擬世界之間，在虛擬世界內(nèi)部還存在著無數(shù)次的“棋盤推演”一類的修正行為，這種快速迭代的“智能行為”，將會成為人類社會指數(shù)化發(fā)展的新動力（如上圖）。同時，一個充分修改和驗證后的虛擬世界，也會反作用于真實世界，并提供低成本的優(yōu)化方案，就像通過在線協(xié)作文檔反復(fù)修改電子版文件最后被印成了一本書的過程一樣，在虛擬化環(huán)境下的協(xié)作、交流、宣傳都會對這本書的實體價值產(chǎn)生重要影響，況且虛擬文件本身也有其特有的價值，這都是人類萃取其智慧，促進(jìn)文明發(fā)展的過程，也是一種更加理想的“虛實融合”的創(chuàng)客教育的實現(xiàn)方式。這種“基于模擬的世界觀”，可以成為信息科技教學(xué)在下一個發(fā)展階段具有“超學(xué)科”育人價值的一個抓手。

在信息技術(shù)實驗的框架下，科學(xué)探究特別是“數(shù)碼探究”主要是完成建模的過程，而編程以及可視化的過程則側(cè)重于仿真，為了完成驗證的步驟，我們?nèi)匀恍枰ㄟ^仿真獲取數(shù)據(jù)，并且不斷提高實驗的精度。在充分認(rèn)識真實世界的基礎(chǔ)上，還可以在虛擬世界中更廣范圍和更極端條件下對真實世界可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行測試，從而創(chuàng)造一個更為可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實環(huán)境。

在這個大背景下，“虛擬人”“強(qiáng)人工智能”“數(shù)字永生”這些阿蘭·圖靈先生思想軌跡所涉及或者在其延長線上的里程碑意義的符號節(jié)點將一一被實現(xiàn)，或許探索并普及“基于模擬的世界觀”，是在元宇宙時代各種“唬人”的噱頭之外，構(gòu)建一種合理的、充滿創(chuàng)造的世界所必備的公民知識底色。這個過程從漫長的人類思想史中浮現(xiàn)出來，從紛繁復(fù)雜的技術(shù)發(fā)展過程中提煉出來。當(dāng)下，站在“元宇宙”的門口，回顧并且總結(jié)“圖靈原理”，能讓我們更深切地理解未來應(yīng)該是什么，以及作為一個信息技術(shù)教師應(yīng)該怎樣看待課程內(nèi)容和自身工作的教育價值，進(jìn)而舉一反三，創(chuàng)造性地開展工作。