Пять изобретений Алана Тьюринга, которые повлияли на развитие науки и ИТ-отрасли

Биография Алана Тьюринга — одна из самых захватывающих и трагических в истории науки. Он с детства отличался от своих ровесников: интересовался математикой, играл в шахматы, изучал кодирование. Одногруппники и коллеги считали Алана гением и чудаком, и на это были причины. Например, он приковывал свою кружку цепью к батарее, чтобы ее не украли, и ездил на сломанном велосипеде в противогазе, чтобы избежать аллергии на цветочную пыльцу.

Помимо науки, Тьюринг занимался бегом и показывал результаты мирового уровня. В 1948 году в забеге на пересеченной местности ученый финишировал раньше серебряного призера Олимпиады Тома Ричардса.

За 41 год своей жизни Тьюринг сыграл большую роль в победе над гитлеровской Германией, развитии искусственного интеллекта, создании вычислительных машин и математической биологии. Несмотря на все его достижения, в 1952 году математик столкнутся с обвинениями властей Великобритании в гомосексуальности, потерял статус благонадежности и был отстранен от работы консультанта по криптоанализу в GCHQ.

В этой статье мы рассказали о пяти его изобретениях, которые повлияли на современную науку, ИТ-отрасль и общество в целом.

1. Концепция вычислительной машины

В 1936 году, после окончания Королевского колледжа Кембридж, Алан Тьюринг в статье «On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem» предложил концепцию абстрактной вычислительной машины. Она заключалась в создании программы, которая хранится в памяти вычислительной машины и может решать любые задачи.

Машина Тьюринга состояла из следующих частей:

• ячеистая лента бесконечной длины с головкой, которая движется по ней;

• алфавит с ограниченным числом символов;

• таблица, которая отражала состояние конкретного символа алфавита.

Головка должна была перемещаться вдоль ленты в соответствии с заданной программой и последовательно выполнять команды пользователя. Она могла считывать или записывать символы в ячейки до тех пор, пока задание не будет выполнено. Так ученый хотел доказать, что любая задача может быть решена последовательным выполнением операций.

Позже сокращение ТМ (Turing machine) стало общепринятым. Сегодня любое устройство, например, стиральная машина или телевизор, работают на основе этой концепции. Подробнее о принципе работы машины рассказали специалисты Кембриджского университета. С помощью эмулятора можно на практике понять алгоритм ее действия.

2. Дешифровальная машина

В 1939 году, когда началась Вторая мировая война, Алан Тьюринг принял активное участие во взломе немецких шифров в главном шифровальном подразделении Великобритании Блетчли-парке. Вместе с командой Тьюринг разрабатывал методы для дешифровки кодов «Энигмы», чтобы заранее узнавать о военных атаках Германии.

Взломать код «Энигмы» было практически невозможно, так как каждый день немецкие операторы машин генерировали новый ключ, который включал в себя настройки для роторов, рефлектора и панели подбора. То есть для расшифровки каждого сообщения необходимо было знать конкретные настройки.

Тьюринг разработал и построил машину, которая могла автоматически расшифровывать сообщения. Его изобретение стало продолжением работы польских ученых. Машина состояла из электромеханического механизма для считывания и расшифровки и множества роторов и проводов для создания сложной комбинации шифрования. В эксплуатацию ее запустили в марте 1940 года.

Bombe позволила британской разведке оперативно получать информацию о действиях Германии. Но в 1941 году Тьюринг и его команда поняли, что им не хватало людей и машин на расшифровки всех сообщений противника. Привлечь внимание руководства к проблеме не получилось, поэтому математики написали письмо напрямую Черчиллю. Он распорядился удовлетворить требования ученых. Позже в эксплуатацию запустили более двухсот машин, которые работали круглосуточно.

Помимо создания Bombe, у Тьюринга были еще несколько достижений в области военного криптоанализа. Он разработал индикаторную процедуру для ВМФ Германии, более эффективный метод использования Bombe, метод определения параметров колеса Лоренца и портативный шифратор речи Delilah.

3. Тест для проверки мышления машин

В 1946 году Тьюринг разработал первый компьютер ACE с возможностью хранения программы в памяти. Хотя пилотный проект был реализован без участия самого ученого, а полная версия ACE никогда не была построена, Тьюринга все равно часто называют отцом современных компьютеров.

Во время работы в Манчестерском университете ученый придумал «Игру в имитацию». Об этом тесте он рассказал в статье «Computing Machinery and Intelligence», которую опубликовали в 1950 году в журнале Mind. Его суть заключалась в том, что если человек, который взаимодействует с компьютером, не сможет отличить его от другого человека, то можно считать, что компьютер умеет мыслить.

Работа Тьюринга стала основой для создания программ, которые предназначены для улучшения способностей компьютера к обработке естественного языка и пониманию человеческой речи. Появились новые понятия: искусственный интеллект и машинное обучение. Тест активно стали обсуждать в контексте этических и социальных вопросов, которые связаны с созданием машин и их способностью мыслить.

4. Компьютерная музыка

В 1951 году Британская вещательная корпорация BBC сделала первую запись компьютерной музыки в Лаборатории вычислительных машин в Манчестере. Машину создал и запрограммировал Алан Тьюринг. Она была огромной, занимала целый этаж и могла генерировать три композиции: гимн Великобритании, детскую песню «Baa, Baa Black Sheep» и джазовый стандарт «In the Mood» Гленна Миллера. 

Для создания музыки ученый использовал принципы математической логики, разрабатывал алгоритмы, которые могли создавать звуковые волны с помощью компьютера, использовал идеи абстрактной музыки и алгоритмической композиции, в которых музыка генерировалась автоматически на основе определенных правил.

Хотя Тьюринг запрограммировал свою машину воспроизводить музыкальные звуки, объединять их в мелодии он не стал. Это сделал ученый Кристофер Стрейчи, а в 2016 году исследователи из Новой Зеландии Джек Копланд и Джейсон Лонг из Университета Кентербери обнаружили и восстановили запись компьютерной музыки.

5. Реакционно-диффузионная модель

В 1952 году Алан Тьюринг опубликовал статью под названием «Химические основы морфогенеза» в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society of London». В ней он исследовал процессы развития природных паттернов в живых организмах.

Ученый разработал реакционно-диффузионную модель, где вещества, активатор и ингибитор, распространяются в тканях с разной скоростью и взаимодействуют друг с другом. Так они создают сложные структуры и формы. В своей работе Тьюринг описал шесть основных паттернов, а в 2014 году ученые Университета Брандейса смогли воспроизвести их на синтетических клеточных структурах.

Работа ученого открыла новую область исследований, связанную с применением математических моделей в биологии. Они позволяли предсказывать, какие процессы будут происходить в организмах и как они будут развиваться. Идеи Тьюринга в области морфогенеза нашли применение в технологии клонирования, биомедицинских исследований и разработке новых лекарственных препаратов.

Обвинение властей, трагическая смерть и значение идей Тьюринга для науки и общества

В 1952 году Тьюрингу власти Великобритании предъявили обвинение в непристойном поведении из-за сексуальной связи с мужчиной и предложили ему выбрать между тюремным заключением и химической кастрацией. Ученый выбрал второй вариант, а в 1954 году Тьюринга нашли мертвым в его квартире. Точная причина смерти неизвестна, это мог быть как суицид, так и случайное отравление парами синильной кислоты.

В 2009 году Алана Тьюринга признали «одной из самых известных жертв гомофобии в Великобритании, а премьер-министр принес публичные извинения за преследования ученого. В 2013 году королева Елизавета II официально помиловала Тьюринга за обвинения в «непристойности». В 2017 году в стране вступил в силу «закон Тьюринга» о посмертном помиловании мужчин, которые были осуждены за гомосексуальные отношения.

Разработки, идеи и открытия математика стали основой для развития современной науки. Его достижения в области вычислительных машин и искусственного интеллекта признаны во всем мире. В честь ученого престижную ежегодную награду Ассоциации вычислительной техники назвали «Премией Тьюринга». В 2002 году математик был признан «одним из 100 величайших британцев в истории», а Банк Англии выпустил купюры с изображением Тьюринга.

История жизни Тьюринга показывает, что «порой люди, которые ничего из себя не представляют, совершают удивительные вещи». Эту цитату несколько раз повторяет главный герой исторической драмы «Игра в имитацию», где Алана Тьюринга сыграл актер Бенедикт Камбербэтч.