尋找宇宙中的“定海神針”

艾維·威格森

1956年9月出生于以色列海法，計(jì)算機(jī)復(fù)雜性理論先驅(qū)，美國普林斯頓高等研究院教授，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)科顧問委員會外籍委員。日前獲2023年度圖靈獎。

愛因斯坦說，“上帝不會擲骰子”，宇宙不是隨機(jī)的。艾維·威格森要證明這一點(diǎn)——雖然宇宙中的隨機(jī)性看起來無處不在，但連擲骰子都不是隨機(jī)的。“擲骰子得出的結(jié)果不是真正的隨機(jī)，完美的隨機(jī)是不可言傳、難以證實(shí)的。”威格森說。

利用隨機(jī)性研究，能讓計(jì)算機(jī)做更多的事，比如信息加密和預(yù)測未來。一方面，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生真正的隨機(jī)數(shù)列，就能幫助設(shè)定完美的密碼；另一方面，以數(shù)學(xué)的力量“消滅”隨機(jī)性，獲得確定性，就能演算、預(yù)測各種復(fù)雜環(huán)境，最終預(yù)測未來。

幾十年來，威格森不斷接近目標(biāo)，相信憑借計(jì)算機(jī)的算力，總有一天人類能真正馴服隨機(jī)性。他告訴《環(huán)球人物》記者：“我做研究純粹靠對科學(xué)和宇宙的好奇驅(qū)使，它們卻出乎意料地在實(shí)用領(lǐng)域產(chǎn)生了作用。”知名科技媒體《科技聚焦》撰文稱：“如果沒有威格森的研究，算力強(qiáng)大的智能手機(jī)就不會出現(xiàn)在我們每個(gè)人的口袋中。”加密貨幣的誕生，也有賴于他的研究。

內(nèi)心住著那個(gè)沖浪小子

威格森是普林斯頓高等研究院教授。今年4月，美國計(jì)算機(jī)協(xié)會將2023年度圖靈獎授予他，以表彰他對計(jì)算理論，尤其是計(jì)算中隨機(jī)性作用的重大貢獻(xiàn)。以英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家圖靈命名的這個(gè)獎項(xiàng)，被稱為“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎”。此前，威格森還與匈牙利學(xué)者拉茲洛·洛瓦茲共同獲得了2021年度阿貝爾獎。這是國際數(shù)學(xué)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)，被稱為“數(shù)學(xué)界的諾貝爾獎”。

威格森所在的普林斯頓高等研究院，曾是愛因斯坦及“計(jì)算機(jī)之父”馮·諾依曼工作的地方。但同時(shí)獲得阿貝爾獎和圖靈獎的，威格森是全院、也是全世界第一人。

2019年3月14日，威格森（右）和美國數(shù)學(xué)家赫爾穆特·霍弗在紐約參加愛因斯坦紀(jì)念晚會。

圖靈獎的獎金為100萬美元（約合722萬元人民幣），與諾貝爾獎獎金差不多。威格森沒想到自己會得這個(gè)獎。他回憶得知自己獲獎時(shí)的場景：4月10日那天，“他們（圖靈獎組委會成員）讓我打開視頻上線。他們也是數(shù)學(xué)家，我還以為是要討論數(shù)學(xué)問題，就急匆匆上線了。剛一上線，他們就祝賀我，我才明白自己獲獎了。”獲獎消息“官宣”后，普林斯頓高等研究院院長戴維·紐倫堡問他：“您到底是數(shù)學(xué)家還是計(jì)算機(jī)科學(xué)家？”威格森說：“我兩者都是。我是理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家，研究計(jì)算機(jī)科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。”

1987年，威格森開始對隨機(jī)性研究著迷。從上世紀(jì)90年代開始，他就隨機(jī)性研究發(fā)表了一系列論文。1994年，經(jīng)過大量的演算，他終于證明“隨機(jī)性可以被消滅”，也就是說，在理論范疇中，宇宙中的任何問題都有確定性，威格森找到了宇宙的“定海神針”。

威格森向《環(huán)球人物》記者解釋，隨機(jī)數(shù)最重要的特性是它在產(chǎn)生時(shí)，前后的數(shù)毫無關(guān)系。隨機(jī)數(shù)分為3類：偽隨機(jī)數(shù)、密碼學(xué)安全的偽隨機(jī)數(shù)以及真隨機(jī)數(shù)。而產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)有多種方法，這些方法被統(tǒng)稱為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

在研究中，威格森不停地給隨機(jī)數(shù)發(fā)生器“出難題”。他發(fā)現(xiàn)，問題越難，得出的結(jié)果越確定，便越能對復(fù)雜的問題進(jìn)行干預(yù)和預(yù)測。這一研究可以被用于“預(yù)測股市走勢或計(jì)算風(fēng)暴移動的路徑”。

威格森的研究影響了當(dāng)下數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的眾多領(lǐng)域。正是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)假設(shè)下，宇宙中的隨機(jī)性可以被馴服，所以那些包含隨機(jī)性、難以運(yùn)行的算法，能夠被確定、被計(jì)算且被更容易地運(yùn)行。普林斯頓大學(xué)教務(wù)長珍妮弗·雷克斯福德教授說，威格森對“什么東西可以有效計(jì)算”的深層問題給出了重要見解。該校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授蘭·拉茲說：“他是理論計(jì)算機(jī)科學(xué)中最核心的人物之一。”

隨著研究的深入，威格森觸碰到這樣一個(gè)“燒腦”問題：如何讓別人相信某問題已被證明，卻不讓別人知道證明的方法。于是，威格森推演出新的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，成功研究出如何在不泄露信息的情況下證明信息的真實(shí)性，也即“零知識證明”。后來，這個(gè)方法成為加密貨幣的理論基礎(chǔ)。加密貨幣誕生后席卷全球，但威格森不為所動，繼續(xù)在數(shù)學(xué)世界中探索。

對于外行人，這聽起來十分復(fù)雜。但對于威格森，這是浩瀚的未知海洋，他用思考“沖浪”。在他的內(nèi)心深處，還住著當(dāng)年那個(gè)沖浪小子。他告訴《環(huán)球人物》記者：“我們對計(jì)算機(jī)計(jì)算的極限知之甚少，這就是我研究的核心問題。”

熱愛沖浪、足球和解“燒腦”題

1956年，威格森出生于以色列海法。他在海邊長大，酷愛戶外運(yùn)動。

威格森回憶：“我的童年是在海法一個(gè)小小的社區(qū)中度過的，那時(shí)，我每天都與沖浪、足球?yàn)榘?，尤其喜歡沖浪。小時(shí)候，我父親有許多關(guān)于解數(shù)學(xué)謎題的俄語書，閱讀那些書不僅滿足了我的探索欲，讓我后來愛上了數(shù)學(xué)，也讓我在不知不覺中學(xué)會了俄語。我的兩個(gè)兄弟沒那么喜歡數(shù)學(xué)，他們一個(gè)成了生物學(xué)家，一個(gè)成了電子工程師。”前些年，威格森依舊喜歡與孩子們一起去海邊沖浪，現(xiàn)在年紀(jì)大了，就愛上了散步。

安靜下來的威格森喜歡用腦，這源自他的工程師父親。他父親對世界充滿好奇，熱衷于解決智力難題，還經(jīng)常給孩子們出題，尤其是“燒腦”的數(shù)學(xué)題。在威格森的記憶中，一同解難題是全家最開心的娛樂之一。

父親這種不斷挑戰(zhàn)自我、探索答案的性格，深深地影響了威格森。2021年，已經(jīng)65歲的威格森在被授予阿貝爾獎時(shí)，特意提到了父親。“父親給了我很大的啟發(fā)，他尤其喜愛挑戰(zhàn)難題，以及探究數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)問題。他對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)問題的愛好，如同病毒一樣傳染給了我。”

1970年，威格森考入以色列理工學(xué)院。這所學(xué)校有“以色列的麻省理工”的美譽(yù)，與美國麻省理工學(xué)院、英國帝國理工學(xué)院齊名。愛因斯坦1912年倡議設(shè)立該校，并創(chuàng)建該校首屆學(xué)會，親任主席。

一開始，威格森填報(bào)的是數(shù)學(xué)專業(yè)，然而“父母讓我換專業(yè)，選擇計(jì)算機(jī)科學(xué)，認(rèn)為這樣我畢業(yè)后更好找工作”。最終，威格森在兩個(gè)領(lǐng)域都深耕，收獲碩果。

1980年，威格森從該校畢業(yè)，前往美國普林斯頓大學(xué)讀研。1983年，他完成題為《計(jì)算復(fù)雜性研究》的論文，獲計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位。此后，他先后在加州大學(xué)伯克利分校、圣何塞IBM研究院、美國國家數(shù)學(xué)科學(xué)研究所短期工作。1986年，他回到以色列，在耶路撒冷希伯來大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系當(dāng)高級講師。1990年，他在普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系任客座副教授，1993年任希伯來大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所主席。

授課中的威格森。

1994年，威格森因在計(jì)算復(fù)雜性理論方面的工作，獲得內(nèi)萬林納獎。這是理論計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的國際獎項(xiàng)。1999年，他成為普林斯頓高等研究院教授。2003年，他放棄希伯來大學(xué)教職，全職在該研究院工作。2013年，他當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士；2021年，又當(dāng)選挪威科學(xué)與文學(xué)院院士。

以色列魏茨曼科學(xué)研究所教授奧德·戈德里克如此評價(jià)威格森：“過去40年中，他對計(jì)算理論的貢獻(xiàn)，是無出其右的。”

威格森從不吝惜與同行分享研究成果，他寫了本“入門手冊”，放在網(wǎng)上供人免費(fèi)閱讀，希望吸引更多的學(xué)者加入。

威格森在學(xué)術(shù)上取得眾多榮譽(yù)，但平時(shí)的打扮非常隨意，經(jīng)常穿著毛衣和長褲，腳上卻是涼拖鞋，如愛因斯坦般頂著一頭凌亂的銀發(fā)。他告訴《環(huán)球人物》記者：“我的一天基本是這么安排的——與合作者探討、參加班級研討會、閱讀論文，余下的時(shí)間，我就沉浸在思考中。”

威格森（中）參加學(xué)術(shù)活動。

不可能“每天都有新業(yè)績”

《環(huán)球人物》：您為什么對隨機(jī)性研究感興趣？

威格森：自古以來，人類就對隨機(jī)性著迷，并且不斷利用隨機(jī)性來解決問題。幾個(gè)世紀(jì)以來，統(tǒng)計(jì)學(xué)家和科學(xué)家一直在對隨機(jī)性進(jìn)行研究。隨著電子計(jì)算機(jī)的誕生，人類利用隨機(jī)性能夠解決的問題也更加廣泛。

《環(huán)球人物》：在許多報(bào)道中，您被形容為一個(gè)“純粹靠興趣”搞理論研究的人。

威格森：我的確不是一個(gè)追求實(shí)用性研究的人，在實(shí)際應(yīng)用方面，我沒什么動力。但是，利用我在理論研究上的結(jié)果提高算法效率，進(jìn)而完成重要的計(jì)算任務(wù)，保證加密協(xié)議的安全，這些都有助于手機(jī)軟件和電子商務(wù)的發(fā)展。

《環(huán)球人物》：您一直喜歡與全世界的同行合作、指導(dǎo)學(xué)生。

威格森：我喜歡敞開心扉與人們合作，尤其喜歡指導(dǎo)研究生和博士生——在他們那個(gè)年紀(jì)，正是思維活躍、處于初始狀態(tài)的時(shí)候。

《環(huán)球人物》：對于立志成為科學(xué)家的中國年輕人，您能給出一些建議嗎？

威格森：我覺得年輕人應(yīng)該通過嘗試各種活動和研究，來尋找自己熱愛的領(lǐng)域。一旦找到了自己熱愛的東西，就應(yīng)該努力精進(jìn)，追求卓越，使之成為自己的事業(yè)，而且你應(yīng)該享受這份事業(yè)。

《環(huán)球人物》：在您看來，成為學(xué)術(shù)工作者，需要做好哪些心理準(zhǔn)備？

威格森：對于學(xué)術(shù)工作者來說，大部分時(shí)候，我們的一天是以解題失敗而告終的。

成功當(dāng)然非常誘人，但它是極為稀少的，我們得花大量時(shí)間去尋找。所以，如果選擇了學(xué)術(shù)道路，就得做好心理準(zhǔn)備，我們無法實(shí)現(xiàn)（像其他行業(yè)那樣的）所謂高效的一天，每天都有新業(yè)績。我們所能做的就是不斷探索，進(jìn)行深度思考，期盼這些思考能讓我們距離那個(gè)目標(biāo)更近一些。