圖靈獎(jiǎng)得主John Hopcroft：95%研究自己的熱愛(ài)+5%探索陌生領(lǐng)域=優(yōu)異的基礎(chǔ)研究者

編者按：12月11日，微軟亞洲研究院舉辦了2021理論學(xué)術(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)了來(lái)自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的理論研究專家共同探討大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的理論研究。會(huì)議期間，康奈爾大學(xué)教授、圖靈獎(jiǎng)得主 John Hopcroft 博士針對(duì)“理論研究”和“科研教育”兩個(gè)話題，結(jié)合自身的感悟，為大家分享了理論研究的意義，為什么基礎(chǔ)研究很重要，以及大學(xué)教育究竟應(yīng)該教什么。John Hopcroft 博士指出，我們需要花點(diǎn)時(shí)間去追求自己真正熱愛(ài)的，去追求自己真正感興趣的，然后還要花費(fèi)5%的時(shí)間去探索自己并不熟悉的領(lǐng)域。希望即將走向或者正在進(jìn)行計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的你，能夠在 John 的演講中收獲滿滿！

康奈爾大學(xué)教授、圖靈獎(jiǎng)得主 John Hopcroft 博士

以下為 John Hopcroft 博士演講的精彩內(nèi)容整理。

為什么基礎(chǔ)研究很重要

今天，我想講的是關(guān)于產(chǎn)業(yè)界的學(xué)術(shù)研究，我相信有許多人可能沒(méi)太注意過(guò)這一點(diǎn)。首先，研究可以分為兩類，一類是基礎(chǔ)研究，一類是應(yīng)用研究。應(yīng)用研究是為了解決特定問(wèn)題而做的研究；基礎(chǔ)研究則是因?yàn)楹闷娑龅难芯?，不需要考慮其應(yīng)用問(wèn)題。評(píng)估基礎(chǔ)研究是非常困難的，因?yàn)榇蟛糠只A(chǔ)研究都不會(huì)有回報(bào)。

那么，我想要問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：為什么大學(xué)要雇傭研究人員？當(dāng)你雇傭一個(gè)教師時(shí)，他們可能有40年的職業(yè)生涯，而他們會(huì)在這40年里隨著研究領(lǐng)域的發(fā)展而不斷發(fā)展。但如果你雇傭一個(gè)研究人員，那么他會(huì)對(duì)自己所做的基礎(chǔ)研究具備一種求知欲，這種求知欲會(huì)讓他們不斷地對(duì)自己所在領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)感到好奇，從而激發(fā)他們能夠不斷地創(chuàng)新，最后與研究領(lǐng)域共同發(fā)展，甚至是推動(dòng)研究的邊界。而且當(dāng)有新鮮的事物發(fā)生時(shí)，他們所教授的課程也很可能會(huì)將最新動(dòng)態(tài)納入其中，因此使得這門課程與時(shí)俱進(jìn)。我認(rèn)為，做基礎(chǔ)研究的人的基本天性就是對(duì)自己正在做的事情感到興奮，并將這種興奮帶到課堂上。所以，這就是大學(xué)為什么雇傭研究人員的原因。但是，為什么一個(gè)公司要雇傭基礎(chǔ)研究的研究人員呢？因?yàn)楣鞠Ｍ芯繂T們?cè)谔嵘咀陨砑夹g(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，也能夠參加世界各地的國(guó)際會(huì)議，從而獲取全球最前沿的信息，并且將自身的技術(shù)、產(chǎn)品和理念推廣出去。

接下來(lái)，我想談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)科學(xué)中理論研究的定義和意義。我剛開(kāi)始做研究的時(shí)候，理論計(jì)算機(jī)科學(xué)所涉獵的很少，只包括像是有限自動(dòng)機(jī)、上下文無(wú)關(guān)文法、可計(jì)算性、可判定性這類理論。那是因?yàn)檫@門學(xué)科剛開(kāi)始的時(shí)候，只是由理論計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程組成，并不存在算法領(lǐng)域。但是今天的計(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)煥然一新了。如果說(shuō)這門學(xué)科最初關(guān)心的只是讓計(jì)算機(jī)變得有用，那么現(xiàn)在計(jì)算機(jī)不僅變得有用了，計(jì)算機(jī)科學(xué)也已經(jīng)徹底改變了。所以現(xiàn)在我們有了各種各樣的應(yīng)用，包括人工智能、大數(shù)據(jù)、密碼學(xué)等等。如今，理論計(jì)算機(jī)科學(xué)研究員是指那些對(duì)應(yīng)用程序背后的基本思想感興趣的人。他們想知道人工智能為什么能夠行得通，這與那些只想利用人工智能解決問(wèn)題的人是截然不同的。

因此，我認(rèn)為像微軟亞洲研究院這樣的企業(yè)科研機(jī)構(gòu)需要專注于能夠幫助公司技術(shù)發(fā)展的特定領(lǐng)域。而這其中很關(guān)鍵的一環(huán)就是建立一個(gè)理論。如果你在研究一個(gè)特定的問(wèn)題，那么你就必須花大部分的時(shí)間去嘗試解決這個(gè)問(wèn)題。但如果你只是花費(fèi)5%的時(shí)間，那么試問(wèn)，我們能在這個(gè)領(lǐng)域提出一個(gè)新的理論么？當(dāng)然，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)其他解決問(wèn)題的方法，并且可以更高效地來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但這僅僅解決了一個(gè)問(wèn)題，并沒(méi)有針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入地探索。我必須承認(rèn)，公司通常不會(huì)雇傭很多基礎(chǔ)研究人員，因?yàn)楣靖胍蛡蚰切┠軌蚪鉀Q問(wèn)題的人。但有一個(gè)公司卻不一樣，那就是貝爾實(shí)驗(yàn)室。這是一個(gè)特殊的例子，因?yàn)樨悹枌?shí)驗(yàn)室是由政府負(fù)責(zé)的，他們雇傭了那些只做自己感興趣方向的研究員們。不得不承認(rèn)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究成果很豐碩，而且其模式是大部分公司都難以復(fù)制。因?yàn)楹芏喙就贾豢粗囟唐谛б妗５聦?shí)證明，只有目光長(zhǎng)遠(yuǎn)，堅(jiān)持做基礎(chǔ)研究，才能對(duì)學(xué)術(shù)界以及整個(gè)社會(huì)帶來(lái)更大的影響。

在現(xiàn)在的大學(xué)教育里基礎(chǔ)研究也是非常重要的。大學(xué)的使命是培養(yǎng)下一代的人才，但偶爾也會(huì)有教師發(fā)現(xiàn)一些具有重大影響的事物，從而創(chuàng)造了一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域，創(chuàng)造了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。我認(rèn)為美國(guó)決定資助大學(xué)的基礎(chǔ)研究可能是他們做過(guò)的最好的財(cái)政投資之一。但其實(shí)這是很難評(píng)估的，因?yàn)榇蟾庞?0萬(wàn)名科研人員所做的研究并沒(méi)有辦法通過(guò)普通的評(píng)估方法去衡量。而且基礎(chǔ)研究不太可能在三年內(nèi)得到回報(bào)。那么，當(dāng)你的資金無(wú)法支撐30年的研究且只針對(duì)一小群人的話，你又當(dāng)如何衡量呢？

所以對(duì)于大學(xué)教師來(lái)說(shuō)，衡量其教學(xué)質(zhì)量，是相對(duì)容易的。但另一個(gè)問(wèn)題是，一位大學(xué)教師是否會(huì)有一份能讓自己成長(zhǎng)，并始終在該領(lǐng)域前沿持續(xù)探索的事業(yè)?也就是說(shuō)，即使沒(méi)有回報(bào)這個(gè)人是否會(huì)依舊為其事業(yè)熱血沸騰？要進(jìn)行這樣的衡量是困難的。目前，我獲準(zhǔn)對(duì)中國(guó)前50所大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育進(jìn)行評(píng)估。我們的評(píng)估方法也很簡(jiǎn)單，就是請(qǐng)學(xué)生們旁聽(tīng)一場(chǎng)講座，看看老師有沒(méi)有讓學(xué)生參與進(jìn)授課中來(lái)，我們還測(cè)量了有多少學(xué)生在課堂上集中注意力。我們有一個(gè)專門的記分卡，里面記錄了我們需要評(píng)估的五項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果展現(xiàn)，這項(xiàng)調(diào)研對(duì)于提高教師的教學(xué)質(zhì)量是有建設(shè)性價(jià)值的。

花點(diǎn)時(shí)間看看其他領(lǐng)域

我認(rèn)為，有必要提一下向量空間模型這個(gè)詞。這個(gè)詞是由康奈爾大學(xué)的一位教師提出的，然而當(dāng)時(shí)我們并不認(rèn)為這會(huì)是一個(gè)非常有影響力的概念。但事實(shí)證明，那些你認(rèn)為可能不重要的事情往往會(huì)帶來(lái)全新的領(lǐng)域，因?yàn)檫@正是讓谷歌成功的技術(shù)，并創(chuàng)造了數(shù)百萬(wàn)個(gè)工作崗位。這是個(gè)題外話。言歸正傳，我認(rèn)為有很多重要的事情需要思考。例如，如果我們訓(xùn)練一個(gè)人工智能網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別貓，那么我們就需要成千上萬(wàn)的圖片，但人類卻能從單一的圖像中學(xué)習(xí)并進(jìn)行識(shí)別。因此，我們要做的就是研究大腦是如何工作的，需要注意的是，大腦的組織結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)有本質(zhì)上的不同，大腦消耗的能量非常低。究竟是怎樣的結(jié)構(gòu)使得大腦能夠完成一些非常簡(jiǎn)單的事情，而人工智能卻無(wú)法完成同等的任務(wù)呢？這就是目前我們的人工智能正在進(jìn)行的研究。與其關(guān)注別人在做什么，或者只專注于自己的研究，嘗試探索一個(gè)完全不同的領(lǐng)域可能是非常關(guān)鍵的。

我再講一個(gè)故事，我對(duì)大腦如何學(xué)習(xí)很感興趣，幾十年前有人告訴我，三歲看老。對(duì)于這個(gè)觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)我只是聽(tīng)了聽(tīng)，因?yàn)槲艺J(rèn)為這并沒(méi)有科學(xué)理論支撐。但最近我認(rèn)識(shí)了一個(gè)人，他再次證實(shí)了這個(gè)觀點(diǎn)，同時(shí)，當(dāng)我搜索這項(xiàng)研究時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了大量有關(guān)大腦如何發(fā)育的研究。結(jié)果是，在人出生后的三年里大腦逐漸學(xué)會(huì)了如何學(xué)習(xí)。一個(gè)研究案例顯示，科研人員在美國(guó)的一個(gè)內(nèi)陸城市，為一組剛出生的孩子提供了三年穩(wěn)定的智力豐富的環(huán)境，但對(duì)另一組的孩子沒(méi)有提供。30年后，他們比較了兩者的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，那些擁有豐富智力環(huán)境的孩子往往有更小的幾率患有精神問(wèn)題，并且擁有更高的教育水平，擁有高薪的工作等。

我上述提到的這些故事都是因?yàn)檫@些故事總是與其他事情相關(guān)。正如在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，我們經(jīng)常使用代理，大多數(shù)情況下代理也確實(shí)給出了最優(yōu)解。那么問(wèn)題來(lái)了，為什么某種代理能起作用呢？這需要我們從理論的層面給出答案。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這就像是一個(gè)智力豐富的環(huán)境研究問(wèn)題。

但有一點(diǎn)我希望你們能明白，如果你想成功，你應(yīng)該專注于那些真正讓你興奮、使你感到好奇的研究。這也是我告訴學(xué)生的。因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)很多學(xué)生主修計(jì)算機(jī)科學(xué)是因?yàn)樗麄兊母改父嬖V他們這門專業(yè)能找到一份好工作。有一次，我和一個(gè)即將畢業(yè)的大四學(xué)生聊天。他說(shuō)，“你知道嗎，我真的很討厭計(jì)算機(jī)科學(xué)，我更喜歡音樂(lè)?！彼?，我會(huì)告訴學(xué)生，你應(yīng)該選擇你喜歡的專業(yè)，因?yàn)槟愕穆殬I(yè)生涯將是你生活中的一個(gè)重要部分，你應(yīng)該擁有激動(dòng)人心的生活。大學(xué)的使命并不是培養(yǎng)一個(gè)人來(lái)找到一份好工作，而是教育學(xué)生擁有美好的生活。這就是為什么教育不應(yīng)該僅僅是一個(gè)狹窄的技術(shù)領(lǐng)域。這就是為什么我們堅(jiān)持人文社會(huì)科學(xué)。想象一下，如果你在政府部門工作或者晉升到一家公司的管理層，但你所知道的只是狹窄的技術(shù)領(lǐng)域，那么你將因此受困。

花點(diǎn)時(shí)間想想你真正喜歡的是什么，或者你究竟對(duì)什么感到好奇！也許是量子通信和量子糾纏理論，也許是分布式計(jì)算，也許是大數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)如今在醫(yī)學(xué)、金融業(yè)、制造業(yè)等等領(lǐng)域中都有應(yīng)用。這就是時(shí)至今日的計(jì)算機(jī)科學(xué)和密碼學(xué)，他們不僅提供了安全保障，還承擔(dān)了各式各樣的重要角色。但更重要的是，讓理論回歸產(chǎn)業(yè)界實(shí)驗(yàn)室吧！