麻省理工學(xué)院的開關(guān)

吉米·索尼　羅伯·古德曼

“學(xué)院傳說，眼尖的人有時(shí)候能夠看到走廊墻壁上的鉛筆痕跡。這些線與肩同高、與地面平行，據(jù)說是學(xué)院校友留下來的痕跡，他們對走廊的環(huán)境十分熟悉，能夠閉著眼睛走......?！甭槭±砉W(xué)院歷史學(xué)家弗雷德·哈普古德寫道。

在還是新生的時(shí)候，克勞德·香農(nóng)有時(shí)候會路過一排雕塑，上面都刻著偉人的名字：阿基米德、哥白尼、牛頓、達(dá)爾文。

麻省理工學(xué)院是新古典主義之島，位于波士頓的一個(gè)工業(yè)區(qū)內(nèi)。學(xué)院中間隧道上方建有萬神殿式的圓頂，距離查爾斯河數(shù)英里遠(yuǎn)，圓頂與附近的工廠形成鮮明的對比。

隧道上方的圓頂本就是建筑師們之間妥協(xié)的產(chǎn)物，他們中有些人認(rèn)為新校院應(yīng)當(dāng)同河畔的其他大學(xué)有所區(qū)別，另一些人則堅(jiān)持，應(yīng)當(dāng)“秉承效率的原則，避免師生做無用功，它相當(dāng)于最好的工業(yè)作品”。

這就是麻省理工學(xué)院在世界上定位的一個(gè)縮影，它既是工業(yè)的補(bǔ)充，又追求“更純粹”的科學(xué)，工廠和圓頂兩者的結(jié)合正體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

這些建筑本身就是量化思維的產(chǎn)物，它們以數(shù)字而非名字為人們知曉。

在這里，21歲的克勞德.艾爾伍德.香農(nóng)，開始注意到，可把布爾代數(shù)的“真”與“假”，和電路系統(tǒng)的“開”與“關(guān)”對應(yīng)起來，并用1和0表示。

用布爾代數(shù)分析并優(yōu)化開關(guān)電路，香農(nóng)一舉奠定了數(shù)字電路的理論基礎(chǔ)。

重復(fù)開關(guān)

一張關(guān)于布什分析儀的明信片，將香農(nóng)帶到了13號樓。

正是范內(nèi)瓦.布什（美國科學(xué)家、工程師，有“信息時(shí)代教父”之稱），批準(zhǔn)了他的申請，錄取他做碩士項(xiàng)目。他們都是忙碌的工程師。為更好地工作、賺錢養(yǎng)家，布什曾成功同時(shí)拿到本科和碩士學(xué)位。

香農(nóng)用了3年時(shí)間讀完了高中，在4年里拿到兩個(gè)學(xué)士學(xué)位，在短暫的暑假休整之后，他就要開始攻讀研究生課程了。

布什讓他的這位新學(xué)生，管理分析儀最先進(jìn)、最精密的部分。

直到1935年，就是香農(nóng)到MIT的前一年，微分分析儀（一種求解微分方程的機(jī)械式模擬計(jì)算機(jī)），已達(dá)到它的極限。機(jī)械設(shè)計(jì)精巧，每個(gè)新方程都必須先使之解構(gòu)再重組。

為了應(yīng)對這種情況，布什要發(fā)明一種分析儀，可以在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，對自身進(jìn)行基礎(chǔ)性重組。

它裝有自動控制器，能夠使自身不間斷地從一個(gè)方程式自動轉(zhuǎn)到下一個(gè)方程式，或者甚至能夠同時(shí)解決多種相互作用的方程式。它裝了開關(guān)，來代替螺絲刀。

在經(jīng)濟(jì)大蕭條時(shí)期，麻省理工學(xué)院的經(jīng)費(fèi)預(yù)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足布什的雄心，他仍然能從洛克菲勒基金會募集到265000美元私人捐款，來研發(fā)新一代計(jì)算機(jī)。

同時(shí)，他將克勞德.香農(nóng)帶進(jìn)麻省理工學(xué)院，來幫助他開展新的研究。接下來的3年，香農(nóng)的世界，就是灰色的長廊和嗡嗡作響的機(jī)器間。

在那個(gè)房間里，有一個(gè)小盒子裝有100個(gè)開關(guān)，它們被綁在分析儀上，這里是這個(gè)世界的另一番天地。

盒子里就是大腦中的大腦，開關(guān)和繼電器控制了機(jī)器，當(dāng)機(jī)器旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠使之重構(gòu)，詹姆斯.格萊克寫道，是“由電力控制的電氣開關(guān)（循環(huán)的想法）”。

打開，關(guān)閉，香農(nóng)日復(fù)一日地重復(fù)著這樣的工作。

當(dāng)克勞德.香農(nóng)按動開關(guān)時(shí)，會發(fā)生什么？

想象開關(guān)或繼電器就像吊橋一樣，電流由此通過：如果關(guān)閉它，開關(guān)就會允許電流傳遞到其他目的地；如果打開它，開關(guān)就會阻止通道中的電流運(yùn)行。

它們的目的地可能是另一個(gè)繼電器，它會根據(jù)輸入端接收到的指令打開或者關(guān)閉開關(guān)，或者舉一個(gè)很簡單的例子，它可能是一個(gè)簡單的小電燈。

這一切對于香農(nóng)來說得心應(yīng)手，在安娜堡的密歇根大學(xué)，他進(jìn)行了系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，與其他電氣工程師一起盡職盡責(zé)地繪制電路圖。

串聯(lián)就是電流必須通過兩個(gè)開關(guān)才能被點(diǎn)亮；并聯(lián)就是電流可以自由通過任意一個(gè)或兩個(gè)開關(guān)。

這一區(qū)域，有數(shù)百個(gè)連接到微分分析儀上的開關(guān)邏輯箱、裝配線的電構(gòu)件，以及控制整個(gè)國家電話網(wǎng)絡(luò)的成千上萬個(gè)繼電器系統(tǒng)。

這里的電路被設(shè)計(jì)為，只有當(dāng)兩個(gè)開關(guān)被關(guān)上時(shí)，電流才能夠通行，不關(guān)開關(guān)，關(guān)1個(gè)或3個(gè)開關(guān)都不行；電路被繪制成分枝樹、對稱的Δ以及密集的網(wǎng)絡(luò)，其中涉及的全部電氣集合，香農(nóng)都用心學(xué)習(xí)過。

香農(nóng)在這個(gè)房間里與機(jī)器為伍，這個(gè)機(jī)器被設(shè)計(jì)為能夠自動化思考，在工作中，香農(nóng)明白了另一種自動化思考的方式。

這種方式最終證明了，新一代計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)比模擬計(jì)算機(jī)更有影響力。

布爾定律

邏輯如何能像機(jī)器一樣呢？

20世紀(jì)初，一名邏輯學(xué)家這樣解釋道：“正如材料機(jī)器是為了節(jié)省力氣，符號演算機(jī)器則是為了節(jié)省智力。”

邏輯，和機(jī)器一樣，是一種使力量大眾化的工具，它具有足夠的精度和技能，無論是對于天才還是對于普通人來說，它都能使他們的能力倍增。

20世紀(jì)30年代，世界上只有少數(shù)人，能夠既精通“符號演算”或嚴(yán)格的數(shù)學(xué)邏輯，又擅長電路設(shè)計(jì)。

這比聽起來更令人乏味，在香農(nóng)思索將二者進(jìn)行融合之前，幾乎沒有人認(rèn)為兩者之間有共同之處。

在密歇根大學(xué)，香農(nóng)在哲學(xué)課上學(xué)到，任何邏輯陳述都可以通過符號和方程式來表達(dá)，這些方程式又能夠通過一系列簡單的、數(shù)學(xué)式的規(guī)則解決。

即使你不了解一句話的含義，也能夠判斷它的對錯(cuò)。

將變化莫測的語言，以精確明晰的數(shù)學(xué)方式表述出來，起關(guān)鍵作用的人是19世紀(jì)的天才喬治·布爾——一名自學(xué)成才的英國數(shù)學(xué)家。

他的父親是一名鞋匠，在他16歲之前家里沒錢供他上學(xué)。布爾出版過一本實(shí)至名歸的書《思維的定律》（The Laws of Thought），證明了自己的天分。

布爾揭示的這些定理都建立在基本運(yùn)算的基礎(chǔ)上，例如，和（And）、或（Or）、非（Not）和如果（If）。

假設(shè)我們指定所有倫敦人都有藍(lán)眼睛，且他們都是左撇子。將藍(lán)眼睛的固有屬性定義為x，將左撇子的固有屬性定義為y。

使用乘號代表“和”，加號代表“或”，撇號（代替減號）代表“非”。這一切的目的都是證明“真”或“假”。用1代表“真”，并用0代表“假”。

這些就是把邏輯學(xué)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)部分。所有倫敦人都有藍(lán)眼睛且是左撇子的假設(shè)，就可以表示為xy；所有倫敦人都有藍(lán)眼睛或是左撇子的假設(shè)，可以表示為x+y。

如果一個(gè)倫敦人既沒有藍(lán)眼睛又不是左撇子，命題就是假的；如果倫敦人有藍(lán)眼睛或是左撇子或兩者兼具，命題就是真的。

布爾認(rèn)為，這一切都是有邏輯的。

x和y，以及我們所選擇的許多其他變量，要么真要么假，可以表示我們所想要表達(dá)的所有命題。同時(shí)，根據(jù)幾條規(guī)則，幾乎無須思考的簡單運(yùn)算，我們能從中推導(dǎo)出可以被推導(dǎo)的一切。

這一切很有趣，近一個(gè)世紀(jì)以來，它都沒有實(shí)際用處。

鑒于哲學(xué)家的好奇心，它被教授給一代又一代的學(xué)生，其中有香農(nóng)。

當(dāng)他努力嘗試?yán)斫庋b有數(shù)百個(gè)開關(guān)的小盒子時(shí)，布爾代數(shù)的部分內(nèi)容影響了他——簡單的布爾代數(shù)與他試圖為布什解決極其復(fù)雜的方程式，交織在一起。

關(guān)，開；是，否；1，0。

符號洞察

當(dāng)他在1937年夏，從麻省理工學(xué)院到紐約的時(shí)候，部分邏輯思想依舊影響著他。

香農(nóng)在那里實(shí)習(xí)了一個(gè)暑假，他為貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家?guī)チ艘环N深刻的思索，它包括數(shù)學(xué)邏輯和非同一般的電路設(shè)計(jì)知識。

同時(shí)，他還帶去了令人困擾的想法，邏輯和電路兩者，通過一些基本方法，可以被連接在一起的。

他還將它們帶入電話公司的核心業(yè)務(wù)，該公司擁有最復(fù)雜的遠(yuǎn)程電路網(wǎng)絡(luò)，他的工作就是運(yùn)用數(shù)學(xué)使網(wǎng)絡(luò)平臺更穩(wěn)定，且成本更低。

至關(guān)重要的是，在這段時(shí)間里，他著手記錄了他所洞察到的布什分析儀、貝爾網(wǎng)絡(luò)和布爾邏輯中的共性。

半個(gè)世紀(jì)后，香農(nóng)試圖回想這頗具洞察力的一刻，并試圖解釋他是如何成為第一個(gè)理解這些開關(guān)意義的人。

他告訴一位記者：你提到的“開”或“關(guān)”，“是”或“否”其實(shí)并不重要，真正關(guān)鍵的是這兩種類型連在一起時(shí)，被邏輯中的“和”所描述出來，因而你會說這個(gè)“和”那個(gè)；而當(dāng)兩者平行時(shí)，你會用“或”來描述......

當(dāng)你操作繼電器的時(shí)候，會有一些觸頭被關(guān)閉，而有另一些仍然開著，因?yàn)椤胺恰边@個(gè)字與繼電器的這個(gè)方面相關(guān)......

布爾代數(shù)中的每個(gè)概念，在電路中都有相對應(yīng)的物理表示。

一個(gè)打開的開關(guān)可以代表“真”，關(guān)閉它則為“假”，整個(gè)事件可以通過1和0來表示。

更重要的是，正如香農(nóng)所指出的，布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算符“和”“或”和“非”就像電路一樣，能夠被復(fù)制。

串聯(lián)連接即是“和”，因?yàn)殡娏鞅仨氝B續(xù)通過兩個(gè)開關(guān)，除非兩者都通過，否則電流不能到達(dá)最終目的地；并聯(lián)則是“或”，電流可以通過任一或兩個(gè)開關(guān)。

從邏輯到符號再到電路的飛躍，香農(nóng)依然欣喜地記得：“我覺得這比生活中的任何其他事情都有趣?！?/p>

他當(dāng)時(shí)只是一個(gè)21歲的年輕人，他滿心激動于從開關(guān)盒子和繼電器中，看到了別人沒有看出來的東西。

他漫無目的地孕育出數(shù)年來最有價(jià)值的成果，最終在閣樓里塞滿筆記和半成品論文，并在格子紙上記錄下各種“頗具價(jià)值的問題”。

1937年秋，香農(nóng)在美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)，向評委會演示了自己的碩士論文《繼電器和開關(guān)電路的符號分析》（A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits），在第二年被發(fā)表在“Career-making Applause”雜志上。

在他的新體系中，香農(nóng)寫下了他最枯燥的科學(xué)散文：

“任何電路都是由一組方程式表示的，方程式的每個(gè)部分，剛好對應(yīng)了不同的繼電器和電路的開關(guān)。”

“這可能是本世紀(jì)最重要、最著名的一篇碩士論文?！惫鸫髮W(xué)霍華德·加德納教授說。

電路科學(xué)

在香農(nóng)之后，設(shè)計(jì)電路不再僅憑直覺了，它變成了由方程式和便捷規(guī)則構(gòu)成的科學(xué)。

將技術(shù)變?yōu)榭茖W(xué)，將成為香農(nóng)職業(yè)生涯的標(biāo)志。

這一體系的一個(gè)亮點(diǎn)在于，一旦開關(guān)被簡化為符號，開關(guān)就不再重要了。這一符號體系，可被運(yùn)用到任何媒介中，無論是笨重的開關(guān)，還是微觀的分子排列。

唯一需要的，就是能夠表達(dá)“是”或“否”的“邏輯”門，這個(gè)門可以是任意事物。

給像房間那么大的機(jī)械計(jì)算機(jī)的工作減負(fù)，其規(guī)則與真空管、晶體管、微芯片電路中的規(guī)則一樣，每步都是0和1的二進(jìn)制邏輯。

香農(nóng)說：“這很簡單?！?/p>

只有在發(fā)現(xiàn)了這種方法后，它才有幸能夠變得簡單。

香農(nóng)論文中最本質(zhì)的成果，在很大程度上被隱含在論文中，而沒有被言明，它的重要性是伴隨著時(shí)光流逝而日益清晰的。

當(dāng)我們意識到，香農(nóng)繼布爾之后，將“如果”用作條件符，才開始對它隱含的價(jià)值愈加明確。

人格化的進(jìn)步在于，電路能夠做出決定，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，大量電路能夠進(jìn)行無數(shù)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。

它們能夠解決邏輯難題，根據(jù)前提條件推導(dǎo)出結(jié)論，就像人類使用鉛筆推導(dǎo)出的那樣準(zhǔn)確、值得信賴，甚至更快捷。

同年，英國數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈發(fā)表一篇著名的、邁向機(jī)器智能的核心文章。他證明了，任何能被解決的數(shù)學(xué)問題，原則上都可以通過機(jī)器解決。

圖靈指出一種方法，計(jì)算機(jī)在工作的過程中能夠自行改編指令，以及設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)比當(dāng)前許多發(fā)明更靈活的、能夠解決多種問題的機(jī)器。

香農(nóng)則證明，任何有意義的邏輯表述，原則上都能夠使用機(jī)器判斷，任何電話配電盤中都能夠找到電路的邏輯可能性。他“追根溯源”地分析了，工程師和程序員，未來可能將邏輯輸入機(jī)器中。

傳記沃爾特·艾薩克森寫道，這一飛躍“是支撐一切數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本概念”。

在香農(nóng)發(fā)表論文后不到10年，微分分析儀就迅速過時(shí)，而被數(shù)字計(jì)算機(jī)所取代。

毫不夸張地說，數(shù)字計(jì)算機(jī)，比微分分析儀的速度快1000倍，能夠迅速地解答問題，并由數(shù)以千計(jì)的“全有或全無裝置”的邏輯門電路驅(qū)動。

現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的媒介是真空管，而非開關(guān)，這一設(shè)計(jì)直接基于香農(nóng)所發(fā)現(xiàn)的成果。

結(jié)識圖靈

6年后（1943年），香農(nóng)和圖靈在一間戰(zhàn)時(shí)科學(xué)家餐廳相遇，他們各自負(fù)責(zé)的項(xiàng)目，都是絕密的，兩人只能隱晦地談?wù)摗?/p>

他們都在鉆研同類型的前沿問題。

據(jù)香農(nóng)回憶，在一起喝茶聊天時(shí)，“我們會談一些數(shù)學(xué)方面的話題”。值得注意的是，兩人已有了思維機(jī)器這類想法。用香農(nóng)的話來說就是，“創(chuàng)造能思考的電腦，以及可以用電腦做些什么，等等”。

香農(nóng)說，他和圖靈面臨相同的困擾，因此，常常會談?wù)撨@些問題。那時(shí)候，圖靈開始寫那篇很有名的論文——《計(jì)算機(jī)器與智能》（Computing Machinery and Intelligence）。

兩人常?；ㄙM(fèi)很長時(shí)間，討論一些概念，探討人類的大腦中有什么。

比如，大腦是如何構(gòu)建的，是如何工作的，計(jì)算機(jī)能做什么，人類能不能用電腦完成大腦的工作，等等。

早期，兩人深陷于電腦計(jì)算的前景中，無比著迷于弈棋機(jī)的想法。

1942年，計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)，賓夕法尼亞大學(xué)有幾臺電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)（ENIAC），那是最早的計(jì)算機(jī)，它們運(yùn)算速度慢、外形笨重、體積有幾個(gè)房間那么大，計(jì)算功能，和70年代一個(gè)10美元的小型計(jì)算器差不多。

“那時(shí)我們知道，如果能使計(jì)算機(jī)的價(jià)格更低廉、運(yùn)作的時(shí)間更長，比如連續(xù)工作10分鐘以上，計(jì)算機(jī)就有無限潛力，這令我們激動不已?！?/p>

香農(nóng)回憶說，當(dāng)時(shí)，圖靈和他曾探討過，用計(jì)算機(jī)完全模擬人腦的可能性，且認(rèn)為在不遠(yuǎn)的將來，10年或15年后它就能實(shí)現(xiàn)。

香農(nóng)骨子里是一個(gè)喜歡安靜的人。他很少參加科學(xué)界的活動，密友就更稀少了。他從不追隨名人參會，只應(yīng)邀參加過少數(shù)會議。除電話外，他不喜歡其他任何聯(lián)絡(luò)方式。

在貝爾實(shí)驗(yàn)室的短短幾個(gè)月里，香農(nóng)能贏得圖靈的信任和友情，兩人對對方都評價(jià)頗高。

用香農(nóng)的話來說，圖靈是“一個(gè)讓人印象十分深刻的人”。圖靈還曾邀請香農(nóng)到家里做客，這對喜歡獨(dú)處的兩個(gè)人來說，都是一件稀罕事。

“二戰(zhàn)”后，圖靈和香農(nóng)見了最后一次面。

1950年，香農(nóng)去倫敦參加會議，抽時(shí)間去拜訪了圖靈，并參觀了他的實(shí)驗(yàn)室。

香農(nóng)回憶道：“圖靈的實(shí)驗(yàn)室位于曼徹斯特大學(xué)，在去實(shí)驗(yàn)室的路上......他想制作一臺用來下象棋的計(jì)算機(jī)......我對此同樣十分感興趣，那時(shí)他已經(jīng)在編程了。他的實(shí)驗(yàn)室里有一間辦公室，樓下放著一臺計(jì)算機(jī)，它就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛形。”

兩人談?wù)摿藞D靈在編程上所做的工作，10年過去了，香農(nóng)依然記得圖靈的一項(xiàng)發(fā)明。

他問圖靈，在干什么，圖靈答，在研究如何更好地得到電腦的反饋，以便了解電腦內(nèi)部正在發(fā)生什么。

那時(shí)，他已經(jīng)發(fā)明了這個(gè)神奇的指令。那些天，他們一直在研究各種指令，想從中找到最合適的一個(gè)。

總的來說，這是一次愉快的拜訪，是信息時(shí)代的兩個(gè)開創(chuàng)者在戰(zhàn)后的重聚，這也是他們最后一次見面。

4年之后，圖靈被指控犯有“嚴(yán)重猥褻罪”，死于氰化物中毒。他的死亡被定性為自殺，至今這仍存在爭議。

那時(shí)，兩人剛剛開始打造自己的機(jī)器，已為計(jì)算機(jī)時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。他們揭示了數(shù)字計(jì)算的可行性、記錄的可能性，以及一個(gè)又一個(gè)獨(dú)立的結(jié)論。

本文選編自《香農(nóng)傳——從0到1開創(chuàng)信息時(shí)代》，吉米. 索尼和羅伯. 古德曼著，楊曄翻譯，中信出版社授權(quán)刊載，2023年2月出版。