冯诺依曼改图灵是嘛[捂脸]

有人说，学习计算机的人最终只会走向两个方向，图灵派和冯诺伊曼派。我想这是一件让计算机领域后来者深感自豪的事情。当我们用计算机将世界还原到最基本的逻辑， 即那简单的零与一，我们会发现两个伟大的灵魂恰好化作了这二元世界的基石。冯诺伊曼的一是坚实确定的。一，他建造了计算机的躯体。阿兰图灵的灵是无限可能的灵， 他创造了计算机的灵魂，让我们先回到那个零的时刻。在硝烟尚未弥漫的一九三六年，世界对计算的理解仍局限于人力与机械的延长。 二十四岁的图灵思考着一个看似与战争无关的纯粹问题，数学的边界在哪里？什么问题是机器可以计算的？他的答案是一条纸带一个读写，头，一套规则，但他却强大到无边。 他证明了这台理想机器能模拟任何逻辑过程。他划定的可计算性成为了数字宇宙的第一道地平线。他的贡献是原初的，是哲学的，是从零到一的零。他并未制造实体，但他创造了制造的概念本身。 他回答的是思考这件事其本质能否被机械过程所描述。当二战来临，他的理论瞬间化为最致命的武器。 在布莱切利园，他领导的破译战将恩尼格玛这座加密大山还原为一个巨大的可计算问题，并用他设想的机器思维去暴力破解。他拯救了无数生命，但更重要的是，他向世界演示了基于逻辑的自动计算， 拥有改写历史进程的伟绩。然而，时代的偏见将他吞食，他的生命戛然而止，如同一个未完成的乐章。但他留下的零，那个关于机器智能的终极猜想，那个纯粹的逻辑起点，已在人类智慧的土壤里埋下了等待破土的惊雷。 当图灵的灵在旧大陆闪耀时，冯诺伊曼的一正在新大陆扎根。这是一个截然不同的天才， 他的思维不是一道刺破黑暗的激光，而是一张笼照万物的巨网。他拥有摄影机般的记忆，百科全书般的知识架构。他的兴趣从集合论到核物理，从经济学到气象学。他的大脑本身就是一台渴望为整个世界建立数学模型的通用机。 因此，当他遭遇早期如埃尼阿克这样庞大却笨拙的计算模型的通用机，因此，当他遭遇早期如埃尼阿克这样庞大的计算模型的通用机，因此，当他看到的不是终点，而是粗糙的起点。 一九四五年，他那份著名的草案问世，这就是冯诺伊曼架构将程序与数据一同存储，由中央处理器依次执行。他的贡献是具体的，是功臣 的，是从一到无穷的一。他提供了那把将图灵的天才构想浇铸成钢铁现实的唯一模具。 他回答的是思考的机器应该如何被有效的通用的建造出来。这个一是数字世界不可动摇的基石，从此每一次点击，每一段代码，每一颗芯片的奔腾，都在遵循他定下的律法。 他将计算机从未解决特定问题而改造的机器，变成了通过更换指令就能应对万物的神器。他不仅设计了硬件蓝图，更用数值模拟预测天气。 他以一为基石，试图为整个混乱的宇宙建立一个清晰确定可计算的秩序模型。他们是数字宇宙的道和气。 一个是提出问题定义可能性的先知，一个是交付方案构建现实性的巨大零。是计算机领域给出理论点亮星火的爱因斯坦。 一是计算机领域构思新物铸造历练的奥本海默。他们的工作一影一显，一理论一功臣， 如同 dna 的 双螺旋结构紧紧缠绕，共同编码了姓 c 时代的全部基因。今天，当我们滑动屏幕与 ai 对 话，沉浸于虚拟世界时， 我们同时生活在他们两人的遗产之中。历史或许会问谁是数字时代之父，而答案正在这林宇一的节奏之中。 他们是并肩的电击双星，是缺一不可的时空坐标。他们的智慧如同二净置本身，以一种极简的美衍生出了我们全部复杂的现代文明。而今天，我们每一行奔涌的代码，都在复述他们最初的星光。

量子力学和意识到底有没有关系呢？本期视频将侧中讨论量子力学中比较偏玄学的意识家说，量子力学之所以能和意识牵扯上关系，基本上都是从观察者效应延伸出来的 意识。导致波函数坍塌的鼻祖就是冯诺伊曼，本期内容将主要解读冯诺伊曼的意识假说思想。我们知道在微观世界，例子就是一种物质波， 这种波并非生波和水波那样的机械波，而是一种概率波。那什么是概率波呢？微观粒子在不被观察或者外界干扰的情况下，总是会处于多个位置的叠加状态，如果我们能将这些位置一一的列举出来，就会发现粒子 经常出现的这些位置会呈现出类似波的形态。由于我们无法精确描绘出粒子所处位置的精确，只只能用概率大致的描述粒子可能的位置状态， 恰好这些位置状态叠加在一起就是类似波的形态，所以我们才将粒子位置出现的概率归纳成概率波。其实概率波本质上并不是传统意义上的波，如果用数学形式量化概率波，那就是波函数。 我们知道微观粒子的运动是分诡异，既有玻璃二项性，又有叠加肽，又遵守不确定性原理，但是这些现象的本质都具有更深层的一致性，波函数就能很好的量化这种一致性。在上期视频中我已经详细 的讲过，粒子在不被观察时具有玻璃二象性，且具有叠加性质。其实玻璃二象性的波肽就是概率波，粒子肽就是波包粒子，在不被测量时，粒子会在一个比较宽泛的空间范围内随机出现， 描绘这些位置出现的图像就很像一个由波组成的包。观察粒子的运动就需要发射一些粒子撞击，被观察粒子，被观察粒子被撞击后就会吸收能量，进而导致粒子出现的空间范围缩小。波包收缩， 波包越密集越像粒子，导致玻璃二象性表现成具体的粒子性，这也就是测量坍塌效应的体现，也叫观察者效应。在哥本哈根学派看来， 只要时间足够长，任何粒子的叠加状态终会坍塌成具体的本征态，导致波函数叠加太坍塌。一般有两种方式，第一种就是测量，第二种就是自发坍塌。 简单来说，自发坍塌是由于波函数与外界环境作用的必然结果，而这两种方式的本质都是由于孤立系统的波函数与外界能量扰动导致的坍塌。 这就解释了为什么宏观物体他没有叠加肽，因为宏观物体都是由无数个微观粒子所构成的，微观粒子越多，他们之间就会相互干扰， 每一个单独的粒子就会受到其他粒子的干扰而坍塌掉。宏观物体内部的各个微观粒子彼此干扰，最终 导致所有粒子的剥函数坍塌。所以有无数个剥函数已经坍塌过的微观粒子构成的宏观物体必然不具有叠加台了，所以宏观物体才能这么的稳定。 在多个微观粒子组成的系统内，微观粒子越多，相互干扰的强度就越大，随着粒子数量的增多，系统内粒子的叠加肽相继坍塌， 随后就慢慢过渡到宏观世界的确定状态，这就是量子退相干现象。 在这里不得不补充一点，我们一般认为量子力学研究的是比原子还要小的微观粒子，这些粒子拥有叠加肽、玻璃、二象性等量子世界独有的特性，但后来发现分子尺度也会 出现量子效应。只要物体的量子退相干效应还没有显著地表现出来，那么物体会一直遵守微观世界的量子特性。由于量子退相干现象是渐进过度的过程，所以微观和宏观世界的界限就开始变得模糊起来。 如今的物理学已经放弃了将次元子定义为量子世界的说法，而是采用量子退相杆界定量子世界和经典世界的标尺。 其实呢，观察者效应的本质就是一种人工制造的量子退箱杆效应。不管是单光子双缝干射实验，还是升级版的延迟选择量子擦除实验，都是由于观察者发射的粒子干扰了原来孤立系统的波函数导致 的坍塌。哥本哈根学派不解释这种坍塌为何发生，而是将波函数坍塌视为微观世界的基础现象。所以，在哥本哈根学派看来，波函数坍塌和人的意识没有关系，只要是外界环境干预了孤立系统的波函数，就必然会引起坍塌。 但是，总有物理学家对这种解释感到不满，现代计算机支付冯诺伊曼就率先发难。哥本哈根学派 在冯看来，观测仪器发射的也只不过是微观粒子，而这些微观粒子也是渤海树 用具有波函数的微观粒子去干扰另一个具有波函数的微观粒子，其坍塌的过程应该是非绝对随机的，因为波函数的本质就是一种概率，但到目前为止，没有任何物理理论能 能够解释郭函数坍塌的过程是如何发生的。这种绝对随机的事件不符合量子力学的基本准则。那什么是绝对随机呢？ 在量子力学中，波函数的坍塌是随机的，也就是说，我们无法精确的预测波函数何时坍塌。虽然哥本哈根学派用外界能量摄入解释这种绝对随机事件的发生，但是坍塌的具体细节却无法得知。 所以冯诺伊曼就认为引起这种绝对随机的事物应该不被物理法则限制。于是大胆推测，引起测量坍塌的应该就是人的意识， 因为人的意识可能包含着绝对随机。并且进一步解释说，观察的本身就包含着信息的传递， 而信息的传递是确定的，物理过程不应该被忽略。人的意识在没有得知波函数的信息前不知道坍塌的结果，而观察之后呢，意识就多出来一个波函数坍塌的信息。意识中多出来的这个信息必然是要被列入计算的， 因为人的意识来自于神经元，而神经元的电信号很有可能来自量子事件。人脑中的微观粒子也是叠加肽的，这种叠加肽可能会有外部的粒子形成某种纠缠。 意识对信息摄入的过程就是纠缠坍塌的过程。波函数坍塌了，波函数原来的信息就转移到人的意识当中了，这才是导致波函数坍塌的本质原因。但对于动物来说，情况可能就有些不同了， 因为测量分为完美测量和不完美测量。比如猪，猪虽然也具有意识，但是当猪完成一次观察，大脑可能会获取到测量坍塌的信息， 但是这时候猪的意识可能是混乱的，无法在猪脑中获得精确的信息，这就是不完美测量。所以猪的意识可能无法引起测量坍塌效应。 而人具有高度发达的意识，所以人脑获取的测量信息就是完美测量。人脑的完美测量就相当于强量子退相干效应，而猪脑的不完美测量就相当于弱量子退相干效应。 一九六一年，魏格娜发表名为关于身心问题的评论的文章，并且指出，大部分的物理学家都是彻底的唯物主义者，他们坚信 意识这类东西是虚幻的，所以他们从来不相信意识可以决定波函数的坍塌，并提出了魏格娜的朋友的思想实验，支持付诺伊们。 但到了一九八七年，魏格娜推翻了自己的说法，认为意识并不会导致波函数的坍塌。 二零一一年，在一次量子会议上的调查中显示，包括物理学家、数学家、哲学家在内的三十三位参与者中，只有两个人支持意识引起波函数坍塌的假说。 事实上，在物理学界，绝大部分物理学家并不认可意识引起波函数坍塌的说法。严格来说，一切无法用实验政委的理论都不属于物理学的范畴，意识假说和贤论一样，一直游离在物理学和玄学的边缘。 况且，在坚信如无必要物增实体的物理学家看来，哥本哈根学派已经用外界能量摄入解释过测量坍塌效应了，没必要再引入这种玄学假说，这只会让量子力学更加复杂。

那时候的这个数学家也好啊，这个，呃，人工智能，做人工智能研究这些人啊，他主要的工具就是使用这种计算机。呃，那时候的计算机呢，是一种冯诺伊曼结构的计算机，冯诺伊曼的结构就是我们今天用的 pc 也好，包括你用的手机 都是这个。呃，笔记本什么的派的是吧？各种东西其实都是冯诺伊曼的计算机，他的结构里面就是呃，其实冯诺伊曼计算机是 一种图灵机，就是图灵机的一种图灵机呢，其实是在大概也是在三六年，是那个图灵，图灵就是那个英国人图灵啊，曾经有一部电影专门讲他的那个讲图灵的故事，他在二战的时候破译那个德军的密码吗？很厉害，这个人很厉害的。这个 计算机这个领域里面哎，没有诺贝尔奖，但是计算机这个领域里面的诺贝尔奖就叫图领奖 啊，就是取取名于这个英国这个科学家秃玲的啊，他在。呃，后来他设计了一个机器， 就叫涂灵机。他涂灵机他不是一个物理机器啊，他是一个数学概念的，是机器，比如说他是用一个说是可以存储无限信息的纸袋，然后有一个指针去读取上面的信息作为指令，前后来回移啊，可以在上面写，反正一大堆的条件。然后呢，他去证明说 只要能用图灵机解决的问题，叫图灵玩贝吗？就是能用图灵清解决的问题，我就能用计算机，能用机器去解决。后来呢？这个冯诺伊曼，呃，就是当时在美国啊，做出这个目前的这个 第一个他做的机器计算机，大型的计算机叫伊尼亚克，是在美国做的，这个就是 整个这个体系就是一种机遇，图灵机实现的，但是他比图灵机加了更多的要求，比如说他的呃图灵机里面，其实图灵机里面的一个核心概念就是存储程序设计， 纯属诚意设计，就是我让你计算机一步一步的过去，比如说我们所说的那种自动化什么的，是让计算机一步一步的做事，我是把我的指令告诉你，一步一步，那时候通过机械的方式也好，通过什么方式也好，但在徒灵机里面呢， 他是把这个指令变成了数据存在这个机器里面，由机器自己去读这个数据，然后去执行这个指令，而且这个数据是可以更改的，意味着他的指令是可以更改的。其实屠灵机本身就 意味着这种机器是可以自己学习的，因为他可以改自己的程序吗？冯多伊曼实现这种呢？他的实现呢？呃，他其实当然了，就是把把把指令也是呃，用 数据的方式写入计算机里，比如说写入现在的内存，写入内存里面，但是现在，当然现在由于这个超系统，我们用的 windows 也好啊，这苹果的 ios 也好啊，是吧？那个麦克 os 或者 linax 啊什么的，这个也好，它里面操作系统这个层面很大程度上限制了 你用户或者其他的程序去更改你的指令部分。就是呃，因为他也是把指令写在，当数据写在内存里吗？意味着这个这部分指令其实可以被更改的，但是我们的操作系统往往都不允许，轻易的不允许别人去更改，当然 很多黑客程序其实就是通过更改这个指令的部分，是吧？或者直接改指令部分的这个呃 数据，或者是说把那个他的那个计算器，那个指令指针，那个计算器直接改到一个写数据的地方去，把那个数据当做指令去运行 啊，这个说的有点远了，其实就是说，呃，大家记住就是冯顿一万计算机是一种秃灵机，秃灵机又可以有其他的实现方式，甚至可以不是用这种哦 硅基的，或者说这种电子元器件的这种那个芯片的方式去实现，他甚至可以将来可以用蛋白质，是吧？这种那个生态的方式去实现。那冯诺也卖计算机呢？是一是一种秃灵机的实现，那么他能做的就是说存储程序设 大白话就是编程，我们之前也提到说就编程，编程就是软件一点零，软件二点零，软件一点零的时候就是早期的选择用人编程，人把这事情一二三四五怎么做搞搞清楚了，把它写成计算机的指令，就现在所说的程序语言。 然后呢，把他书的计算机有计算机按着这语言一步一步的去对数据进行处理，得出结果他是一个死的，叫人编程，叫软件一点零。那时候我记得我上学的时候有一本书啊，讲什么叫 程序或者什么叫软件，当上的就写程序等于算法加数据结构， 那个算法就是人编那个程序，数据结构其实就是里面数据就是各种数据，就是通过算法去处理数据，就这么一个东西， 那时候是软件一点零，而二点零呢？是什么呢？二点零不是由人去一步步的去编程，它是通过这个数据去建一个模型，是一个建模过程，它更偏重于像类似这种数学建模的东西， 他这是一种字编程，不是人编程，就软件一点零是人编程。软件二点零是数据编程，是字编程，是从经验中进行学习，最后得出来的不是一套代码，而是一个模型。

秦始皇和冯诺伊曼造的人列计算机虽然场面非常震撼，但可惜如果现实中用地球人来做门部件，计算速度应该比一位算盘先生快不了多少。 cpu 主屏设置于计算机元件的开关频率，在人类计算机中，士兵通过举红灯代表零，举白灯代表一，实现二进制的逻辑运算，因此这时候计算机元件的开关频率就取决于士兵看到输入信号之后的反应速度。 百度一下查到人类的平均反应时间是零点二秒以上，哪怕是受过训练的运动员也不会低于零点一秒。这里我们就按理想情况最快的来算，曲奇现在反应频率一秒可以举登五次。同时我们理想化假设不考虑门店路堆叠起来的电路模块的延迟，那么这台计算机 cpu 主屏就是五赫兹。 然后我们在对比计算机原件的数量。在人列计算机中，一个人发挥的功能实际上是比一个经期管要强的，因为逻辑判断 只需要输出端的这个士兵思考即可。我去年一个视频评论区的一位大神就这个问题进行了非常详细的解释，感兴趣的观众可以自己暂停下来看。 王朝的奔四处理器的晶体管数量是四千两百万，那我们就暂且假设这三千万士兵中组成 cpu 的精锐军团就能顶得上一个奔四处理器的结构。然后我们在理想化假设，除了基本原件以外，人力计算机的其他参数和奔四完全一样，同时具备超线程和超级流水线技术， 那极限就算是 cpu 时钟频率十赫兹，而奔四处理器的时钟频率可以达到三十六亿赫兹，完全不是一个数量级， 时钟频率就是时钟周期的倒数，在一个时钟周期内， cpu 只完成一个最基本的动作。假设整数的加减法需要消耗三个时钟周期，那人列计算机进行一次整数加减法的速度就是每秒三次，所以速度确实 不快，这主要是被人的反应速度所限制。而三体游戏是为了让地球人理解三体文明而设计的。根据剧情中攀函的推测，三体人外表可能覆盖着一层全反射镜面，他们之间通过镜面聚焦的光线语言来交流。每 三体人在一秒钟内可以灰灯十万次。那么十万赫兹的这个开关频率，其实已经比早期的机械继电器和真空电子管要快很多了。 机械式的继电器一秒钟可以开关五十次，由三千五百个继电器组成的哈佛马克一号可以实现一秒钟三次加减法运算。不过这种计算机容易进虫子，所以这就是 bug 这个词的由来。 真空电子管开关频率数千次，历史上第一台可编程计算机，有一万七千多根电子管组成，每秒可以进行五千次加减法运算。 历史上第一根晶体管开关频率是一万次每秒。当然，之后随着科技的进步，逐渐发展到上百万几十亿。所以这么来看，三体人的计算机发展史，确实可以从以人作为计算机的基本原件开始。