邱奇-圖靈論題(Church-Turing thesis)
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早在電腦存在之前,數學家就對「有效程序」或「演算法」有個直覺:一張有限的、完全機械且毫不含糊的步驟清單,一個只有紙筆、有充裕時間、不靠任何聰明才智的書記員就能照著執行。難題在於這個直覺從來沒有精確定義。邱奇-圖靈論題(Church-Turing thesis)就是一個大膽的主張:我們終於捕捉到了它——凡是能被任何機械程序計算的東西,都能被圖靈機計算。
這個論題把一個非形式的概念(「能被某演算法有效計算」)等同於一個精確的數學概念(「能被圖靈機計算」)。它以阿隆佐·邱奇(Alonzo Church,用 λ 演算定義可計算性)與艾倫·圖靈(Alan Turing,用他的機器定義可計算性)命名;兩人在 1930 年代各自工作,卻得到完全相同的函數類別。關鍵在於:這是論題,不是定理。它無法被證明,因為等式的一邊「可有效計算」是非形式、直覺的概念,而你無法證明一個非形式概念等於一個形式概念。原則上,它可以被反駁——只要舉出一個明顯機械、卻沒有圖靈機能執行的程序——但近一個世紀來無人辦到。
論題確實主張的是:圖靈機能做到的界線,就是機械計算的界線,因此被證明對圖靈機不可判定的問題(如停機問題),對任何演算法、任何程式語言、任何可想像的數位電腦都不可判定。它並未主張的是:它對速度或效率隻字未提,對人類能直覺或證明什麼隻字未提,並且(在其基本形式下)對奇異的物理過程隻字未提。更強、更具推測性的版本——物理論題(大自然本身也算不出任何不可計算的東西)與擴展論題(圖靈機能以至多多項式慢化模擬任何模型)——超出了這個範圍,爭議也大得多。
當教科書說「有一個演算法能把兩個數相乘」時,它只用平白的文字給出高層次的步驟,而不費事去編一台圖靈機。邱奇-圖靈論題正是這種做法背後沒明說的許可:任何這樣明顯機械的步驟都能被改寫成一台圖靈機,所以非形式地描述演算法就夠了。
正因有這個論題,我們才能用散文描述演算法,卻仍稱它們為圖靈可計算。
它是論題,不是定理:因為「可有效計算」是非形式的,所以無法被證明。它也對效率隻字未提,更不是關於人類心智能領會什麼的主張。