在模拟与数字间，周而复始
全文共4740字，预计学习时长12分钟
图源：unsplash
作为一位律师、哲学家兼数学家，戈特弗里德·威廉·莱布尼兹一直遗憾没能在接触律师行业前先接触科学领域。
1716年7月，时年44岁的俄国沙皇彼得大帝在萨克森州的巴特皮尔蒙特进行了以矿泉水代替酒精的戒酒治疗，为期八天，当时70岁的莱布尼茨也参加了这个活动。莱布尼茨向沙皇提出了三项宏伟计划。同年，他便去世了。
第一项计划是，派遣一支陆地探险队穿过西伯利亚，前往勘察加半岛和太平洋，在那里，远洋船只将开启探索之旅，以确定亚洲和美洲是否分离。如果是，进而确定：
· 分界线在哪里？
· 当地居民说的是什么语言？这种语言能否解释人类的起源和进化？
· 那里的河流可以通航吗？
· 磁偏角如何随位置而变化？它也会随时间变化吗？
· 俄罗斯远东和美洲西北部之间是什么？
· 俄罗斯能实现其领土扩张吗？
第二项计划是设立一个俄罗斯科学院，以当时的欧洲科学院为榜样，取其精华，去其糟粕。
第三项计划是使用数字计算机对自然语言及其基本概念通过质数列表的数值映射进行编码，“通过绝对精确的演算，得出终身受用的信条，即道德和形而上学的教义”。
莱布尼兹向彼得大帝寻求支持，以将这种“推理演算”引入中国，他认为中国的哲学家发明了二进制算术，并在沙皇的俄国现代化和扩张运动中采用了这一系统。莱布尼兹将其视为“一张白纸”（tabula rasa）或白板，由此他基于科学、逻辑和机器智能的对理性社会的愿景就能发挥得淋漓尽致。
1949年9月28日，美国宇航局工程师在俄亥俄州克利夫兰市的刘易斯飞行推进实验室（Lewis Flight PropulsionLaboratory）燃料系统大楼里操作模拟计算机。| 图源：盖蒂图片社
他表示：“人类将拥有一种新型仪器，它将大大增强思维能力，比用光学镜片增强视力厉害得多。只有当理性清晰明确地渗入每一个角落时，它才毫无疑问会成为真理，迄今为止只有算术做到了这一点。”
莱布尼兹注意到二进制算术函数对应于“与”、“或”和“非”的逻辑运算。二进制符号的字符串，无论是用0和1还是黑白弹珠来表示，都可以在明确的术语中编码并有逻辑地操纵任意复杂性的概念。这种通用语言将开启人类事务的新纪元。莱布尼兹将彼得大帝的野心视为传播这场革命的手段，就像建立一个新建筑比重建地基不稳且有缺陷的旧建筑容易得多。
俄国科学院成立于1724年。1725年，“大北方探险”（Great Northern Expedition）开始，随后俄国人在美洲驻扎了126年——从1741年抵达白令海峡和奇里科夫开始，到1867年把阿拉斯加移交给美国结束。
莱布尼茨的第三个项目没有得到任何支持。虽然“彼得大帝被该仪器吸引，查看了半小时之久”，甚至还用一支铅笔探了探它的工作原理，但他对莱布尼茨的机械计算机不再感兴趣了。对沙皇来说，数字计算已经失去了魅力。
两个世纪又过去了，随着电子技术的发明，俄罗斯、中国和世界其他国家成为了莱布尼茨计划中的“一张白纸”。紧接着，在不到50年的时间里，从拥有由真空管组装而成，用穿孔卡片和纸带进行编码序列交换的第一台原始电子数字计算机，发展成了一个代码以光速激增的世界。
如今，通过数字计算机能够反映非数字世界已不足为奇。在彼得大帝时期，解释这些技能会让人们难以置信，而现在质疑它们的权威性也会引起同样的效果了。
模拟计算和数字计算之间有着根本区别，但这种区别并不绝对。模拟计算处理连续函数，其值随时间平稳变化。数字计算处理的是离散函数，其值在时刻之间以精确增量变化。
莱布尼茨也许该设想一种模拟计算机，其通过在错综复杂的管道中流动的流体进行操作，由可以不断开合的阀门调节。作为微积分的创始人之一，他对可以由这种设备评估或控制的连续函数并不陌生。与之相反，他设想了一台数字计算机，弹珠沿着多条轨道运行并通过开关闸口进行移动，以此来执行二进制运算。
图源：unsplash
这些弹珠非黑即白，不存在灰色调。它们不能分割得更小，也不会合并得更大。当到达闸口时，它们必须选定一条路走，没有中间地带。任何给定的弹珠序列要么完全对应于另一个序列，要么完全不对应。
所有问题都须清楚表述，若重复一个问题，则每次得到的答案都一样。这种想象中的计算机虽从未制出，但生活中无处不在的二进制数字，或者说，比特，就是赋予了电子形式的莱布尼茨弹珠。
大自然用DNA串中的数字编码来存储、复制、修改和纠错代代传递的指令，但依赖于大脑和神经系统中的模拟编码和模拟计算来实现实时智能和控制。编码的核苷酸序列存储着大脑生长的指令，但大脑本身无法像数字计算机那样通过存储和处理数字代码来运行。
1948年，约翰·冯·诺伊曼在解释大脑不使用数字代码的原因时曾说：“如果数字扩展系统的唯一缺点是其更复杂的逻辑，那么仅因为这个原因，大自然就不会拒绝它。”
在数字计算机中，同时只发生一件事；在模拟计算机中，一切都在同时发生。大脑并非逐步处理一维算法，而是持续处理三维地图。信息并非通过逻辑事件的精确序列进行数字编码，而是以脉冲频率编码，体现在连接位置的拓扑学中。
1989年，数字微机先驱卡弗·米德敦促重造模拟处理技术，他表示：“即使是极低等动物的神经系统也包含有比人造系统更有效量级的计算范例。”在真正的人工智能和控制技术演变中，技术将跟随自然发展。
过去一个世纪里，电子学经历了两次关键转变：从模拟变为数字，从高压高温真空管变为低压低温固态硅。这些转变同时发生并没有必然联系。正如数字计算最初是通过真空管组件实现的，模拟计算可以通过自下而上的固态设备来实现，其生产方式与如今制造数字微机的方式相同，或者通过从上到下将数字处理器组装成模拟网络来实现，模拟网络通过统计学而非逻辑来处理比特流，就像真空管处理电子流，或神经元处理大脑中的脉冲流一样。
尽管莱布尼茨数字宇宙力量强大，但仍不完整，就像与他竞争微积分发明权的艾萨克·牛顿对自然的数学描述一样，该描述也只是在一定程度上准确预测了一切。下一轮革命将是可编程机器与非可编程控制系统的合并。
图源：unsplash
迄今为止，在大自然、人类和机器纠缠不清的命运中，我们已经走过了四个时代。
在前工业化时代，技术仅限于人类能用自己的双手创造的工具和结构，大自然掌控一切。
工业时代从可以复制其他机器的简单机床开始，引进了机器，大自然逐步开始受机械控制。
第三个时代从穿孔卡片和纸带开始，数字代码开始自体复制。此前，自体复制和繁殖能力一直是生物学的专属，现在，机器取而代之，大自然似乎要放弃掌控。第三时代后期，由多细胞动物编码组成的网络设备普及带来了不同的转折。
到第四个时代，不知不觉中，机器和自然的立场渐渐一致。人类仍处于自然循环之中，但不再掌控全局。面对这种日益强烈的失去代理权的感觉，人们开始指责“算法”，或那些控制“算法”的人，却没有意识到一切可识别算法都不再掌权。算法时代结束了，未来属于别的东西。
相信人工智能可以通过编程执行命令，就像相信有人能和上帝对话，或某些人生来就是奴隶一样，几乎是无稽之谈。第四时代把人类带回最初充满灵性的时代，人类与不再被自己控制或完全理解的技术共存，这就是人类思维形成的地方。
人类的成长历程充满了智慧与决心。自科技问世以来，我们就一直在和工具打交道。云智能并不是什么新鲜事。为了适应第四时代的生活，回顾一下最初的时代大有益处。
1741年，白令海峡-奇里科夫探险队抵达北美。俄罗斯人遇到了没有文字但有先进技艺的土著居民，在这个本地人开始与外来文化接触的时刻，他们留下了一份关于西北海岸和当地居民的记录。探险队的15名队员上岸并留在了那里，他们的命运未卜。
19世纪末，亚洲阿拉斯加人的后裔，奇里卡华-阿帕奇人继续向南迁徙，面对征服，他们反抗到了最后。为追捕最后一批阿帕奇人，美国政府在北美建立了第一个大规模、高速、全光数字的电信网络。与此同时，随着反对美军正规兵的最后一批弓箭发射，数字革命的第一枪一并打响。
图源：unsplash
真空管或热离子管的发明，使除了电子之外没有其他活动部件的机器得以运行，它们的运行并非受机械装置中控制信息传输的声速的限制，而是受光速的限制。
正是由于这场电子工业的战争盈余发酵，才使理论物理学和数学逻辑相结合，从而实现了莱布尼兹将二进制算术作为通用代码的愿景。把电子流当作连续函数处理的真空管是一种模拟装置，必须对离散电子脉冲进行逻辑处理，这违背了它的意愿，直到晶体管出现，这个爬行动物的时代才结束。
匈牙利物理学家里奥·西拉德在协助发明了核武器之后，将余生都投入到反对核武器在除太空探索外的应用。该想法被一个由政府支持的私人组织项目所采纳，该项目的任务是在1970年发射一艘载客100人、重量4000吨宇宙飞船到达土星，这次航行仿照达尔文的小猎犬号，为期4年。美国政府放弃了猎户座计划，而西拉德虚构的《海豚的声音》让笔者开始了西北海岸冒险之旅。
其中三年是在不列颠哥伦比亚省巴拉德湾边一棵道格拉斯冷杉上的树屋度过的，树屋距地95英尺高，这片土地从未被其合法所有者茨莱尔-沃图斯国（Tsleil-Waututh）割让。树木将一系列连续输入集成到一个数字输出的单一通道中，即年轮随年递增。笔者附近树木的年轮可以追溯到1426年。
笔者理解的弦理论是，捆绑和缝纫对技术进步的驱动被忽视了。在西北海岸，俄裔美国殖民者没有选择其他东西，而是采用了本土皮艇制作技术。以俄罗斯人采用的阿留申皮艇（Aleut kayak，或baidarka）为例，不仅可用于造船，还可探究科技是如何在方方面面对生物构思策略进行模仿。
1863年，塞缪尔·巴特勒的文章《机器中的达尔文》（Darwin Among the Machines）在新西兰发表，1872年，并在其先知及反乌托邦小说《埃瑞璜》（Erewhon）中进行了完善。在《重访艾瑞璜》（Erewhon Revisited）的笔记中，巴特勒继续警告人类，广告将推动人工智能的发展，上帝和达尔文最终都会和机器站在一边。
19世纪，反阿帕奇行动中得到的光传播情报和身份标签编号已经传给了光学数据中心，于近期由美国国家安全局在沙漠附近设立。
在模拟宇宙中，时间是连续的；在数字宇宙中，时间是一种幻觉，通过一系列离散永恒的步骤来传达，那里不存在时间。当人类所有活动都可以用机器读取，所有步骤都可以回溯时，莱布尼茨关于数字启蒙运动的设想会发生什么？
1890年，奇里卡华-阿帕奇人作为战俘流放到了佛罗里达州，派尤特族先知沃沃卡的预言承诺让他们死去的战士复活，这引发了北美原住民的草根运动。
连续统假说的数学猜想传达出的预言类似于此，其表明，超越了算法界限或逐步法的模拟计算能力将脱离数字化和重新实施的控制。电子经过数字化处理后，变成了比特；比特经过统计学处理，变成了电子。真空管幽灵又回来了。
图源：unsplash
莱布尼茨的设想到达过北美两次：20世纪的数字计算机，以及18世纪的白令海峡-奇里科夫探险队。当航海家按照彼得大帝的指示到达美洲西北海岸时，他们遇到了自上次技术革命（大约15000年前）以来依旧生活得很好的人们，那里并非一张白纸。
推荐阅读专题
留言点赞发个朋友圈
我们一起分享AI学习与发展的干货
编译组：高淳子、郝岩君
相关链接：
https://onezero.medium.com/from-analog-to-digital-and-back-10b359350b68
如转载，请后台留言，遵守转载规范
推荐文章阅读
ACL2018论文集50篇解读
EMNLP2017论文集28篇论文解读
2018年AI三大顶会中国学术成果全链接
ACL2017论文集：34篇解读干货全在这里
10篇AAAI2017经典论文回顾
长按识别二维码可添加关注
读芯君爱你
