La vida y la obra de Alan Turing Ricardo Pe˜ na Mar´ı Catedr´atico de Universidad de Lenguajes y Sistemas Inform´aticos Departamento de Sistemas Inform´ aticos y Computaci´ on Universidad Complutense de Madrid
Seminario de Historia de la Matem´atica 2012/13, UCM 9 de enero de 2013
Ricardo Pe˜ na (UCM)
La vida y la obra de Alan Turing
SHM-UCM, 9 enero 2013
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Outline 1
Infancia y juventud
2
Cambridge y Princeton: las M´aquinas de Turing
3
La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
4
El NPL, Manchester, y el nacimiento de los computadores
5
Inteligencia artificial y morfog´enesis
6
Persecuci´on, crisis y muerte prematura
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Infancia y juventud
Infancia y juventud
• Su padre Julius trabajaba en el Indian Civil
Service y estaba destinado en Madr´as (India). • Alan Mathison Turing naci´ o el 23 de Junio de
1912 en Londres. Sus padres estuvieron el primer a˜ no con ´el y luego partieron de nuevo a la India, dejando a sus hijos al cuidado de un matrimonio amigo, los Ward. • Tan solo se reencontraban en vacaciones, que
pasaban en Irlanda o en Inglaterra. • Pincelada sobre su personalidad a los 7 a˜ nos:
¿donde tienen las abejas su colmena?
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Infancia y juventud
El instituto
Sherborne school
• Estudi´ o en el Instituto Privado de Sherborne, una peque˜ na villa cerca de • • • •
Southampton. Ten´ıa curiosidad por muchas cuestiones (qu´ımica, inventos), pero descuidaba las asignaturas que no le interesaban (la mayor´ıa). Sacaba malas notas. A veces sus profesores se burlaban de ´el por su aspecto desali˜ nado, sus perennes manchas de tinta y su timidez. Otra pincelada: le´ıa a Einstein a los 17 a˜ nos, ¡y lo entend´ıa! Tuvo un gran amigo, Christopher Morton, con el que compart´ıa sus inquietudes cient´ıficas: astronom´ıa, matem´aticas, qu´ımica. Ricardo Pe˜ na (UCM)
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
Cambridge
• Despu´ es de Gotinga (Alemania), Cambridge
era el centro de las matem´aticas mundiales. • Alan consigui´ o una beca e inici´ o estudios de
Grado en el King’s College. • All´ı se interes´ o por los fundamentos de las
Matem´aticas y el “programa” de David Hilbert. Ley´ o a Gottlob Frege, Bertrand Russell, Kurt G¨ odel y John von Neumann.
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
Cambridge • Tras el ascenso de Hitler al poder, en 1933
pasaron por Cambridge, camino de los Estados Unidos, Born, Courant, Shr¨ odinger, y von Neumann, entre otros, y asisti´ o a sus conferencias. • En su trabajo de graduaci´ on (1934) demostr´ o,
sin conocer que ya lo estaba, el llamado Teorema Central del L´ımite, de importancia en Estad´ıstica. • Su primera publicaci´ on en 1935 se inspir´ o en
un trabajo de von Neumann sobre teor´ıa de grupos. El propio von Neumann le anim´ oa pedir una beca para una estancia en Princeton (EE.UU.).
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
El programa de Hilbert En los Congresos de Matem´aticas de 1900 y 1928 David Hilbert (Gotinga), propuso entre otros los siguientes problemas para ser resueltos en el nuevo siglo: ¿Es la aritm´etica consistente? ¿Se puede deducir de sus axiomas cierto = falso, o 1 = 0? ¿Es la aritm´etica completa? ¿Se puede deducir cualquier verdad de la teor´ıa a partir de sus axiomas y reglas de deducci´ on? ¿Es la aritm´etica decidible? ¿Se puede validar o refutar cualquier teorema mediante un “procedimiento efectivo”?
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David Hilbert
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
El art´ıculo de 1936
• El teorema de G¨ odel (1931)
hab´ıa dejado claro que si la aritm´etica era consistente, no era completa, es decir conten´ıa verdades no deducibles. • El art´ıculo de Turing de 1936
contest´ o en negativo a la tercera pregunta: la aritm´etica contiene problemas que no son solubles mec´anicamente.
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
La M´aquina de Turing • Su noci´ on de “procedimiento
efectivo” • S´ımil con un calculador humano • La cinta simboliza una fuente
inagotable de papel • La cabeza lectora/escritora, el
punto de atenci´on • Los estados, las fases del c´ alculo • La funci´ on de control, los pasos
elementales del c´omputo • Insistencia en que el alfabeto de
s´ımbolos ha de ser finito • El conjunto de estados, tambi´ en • La funci´ on de control puede
modelizarse como un conjunto finito de tuplas (s1 , q1 , s2 , q2 , M), con M ∈ {L, R, N}. Ricardo Pe˜ na (UCM)
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
¿Hay m´as n´umeros reales que M´aquinas de Turing (MT)?
• Llam´ o n´ umeros reales computables a aquellos para los que puede construirse
una MT que calcule√una tras otra todas sus cifras, si se le deja tiempo suficiente. Ejs: π, 2, log3 5, etc. • Ide´ o un modo de codificar cada MT mediante un n´ umero natural u ´nico. • Es decir, pod´ıa representar n´ umeros reales de infinitas cifras mediante una
descripci´ on finita. ¿Pod´ıan representarse as´ı todos los reales?. • Era obvio que no hab´ıa m´ as MTs que n´ umeros naturales.
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
El problema de parada
• George Cantor (1845-1918) ya hab´ıa demostrado que hab´ıa “muchos m´ as”
reales que naturales, es decir no se pueden poner en correspondencia biun´ıvoca unos con otros. • La conclusi´ on obvia es que hay reales no computables. Eso ya indicaba que
deb´ıa haber problemas no solubles por sus MT. • De hecho encontr´ o el m´as paradigm´atico, el problema de parada: No existe
una MT que, dada la descripci´ on de una MT cualquiera (mediante su n´ umero u ´nico) y una configuraci´ on inicial de la cinta para dicha MT, determine si la MT se parar´a o no ante dicha cinta.
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La M´aquina de Turing Universal • Turing pens´ o que sus MT capturaban la noci´ on de procedimiento efectivo,
funci´ on computable, o simplemente algoritmo. • Cada MT era una m´ aquina especializada en un algoritmo concreto,
determinado por su funci´ on de control. • Pero Turing fue m´ as all´a e ide´ o una m´aquina universal que era capaz de
emular a cualquier otra: 1 2
3
Recib´ıa en su cinta la descripci´ on de la MT a emular, convenientemente codificada. Recib´ıa en otra parte de la cinta (o en otra cinta, ya que prob´ o que el n´ umero de cintas era indiferente para la potencia de las MTs), los datos tal como los esperaba la MT emulada. A partir de ah´ı se comportaba como lo har´ıa la MT emulada ante esos datos.
• Si consideramos la descripci´ on de la MT emulada como el “programa”, hab´ıa
ideado una M´aquina Universal programable, con el programa almacenado en memoria.
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
Princeton, New Jersey, 1936-38
• En 1936 lleg´ o a Cambridge un art´ıculo de A.
Church y S. Kleene resolviendo en negativo el problema de decisi´ on de Hilbert, por un camino muy diferente al de Turing. • Max H. Newman consider´ o no obstante que el
trabajo de Turing merec´ıa ser publicado. A la vez, escribi´ o a Church pidiendo que permitiera a Turing trabajar con ´el.
Alonzo Church
• Alan march´ o Princeton e hizo una tesis doctoral
con Church. Trabaj´ o con von Neumann, y conoci´ o a otros cient´ıficos emigrados de Alemania. Univ. de Princeton
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Cambridge y Princeton: las M´ aquinas de Turing
La funci´on-Z de Riemann • Se interes´ o por la teor´ıa de n´ umeros.
Plane´ o la construcci´ on de una m´aquina para refutar la conjetura de la funci´ on-Z de Riemann (distribuci´ on de los primos). • Ante lo inevitable de la guerra, redobl´ o
su inter´es por la criptograf´ıa: m´etodo de cifrado basado en multiplicar por grandes n´ umeros y multiplicador binario con rel´es. • Rechaz´ o una oferta de von Neumann y regres´ o a Cambridge, donde le hab´ıan renovado su beca.
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Funci´ on-Z
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Bletchley Park • La GCCS (Government Code and Cipher School),
agencia del Servicio Secreto, estableci´ o a 60 Km de Londres su centro de desciframiento de mensajes. En Bletchley Park llegaron a trabajar hasta 10.000 personas. • En Agosto de 1939, Alan fue reclutado entre
otros profesores, como experto en criptograf´ıa. • El problema central era la m´ aquina Enigma,
usada por Alemania desde los a˜ nos 20 y de la que exist´ıan versiones comerciales.
Bletchley Park
• Los matem´ aticos polacos llevaban 7 a˜ nos de
ventaja a los brit´anicos y hab´ıan construido unas m´aquinas electromec´anicas, las Bombas, para ayudar a descrifrar los mensajes de Enigma. Enigma Ricardo Pe˜ na (UCM)
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Enigma
• El emisor tecleaba un mensaje como en una
m´aquina de escribir. Enigma sustitu´ıa cada letra por otra. • Cada rotor hac´ıa una sustituci´ on distinta seg´ un
su cableado y ten´ıa 26 posiciones iniciales, lo que daba 26 × 26 × 26 = 17.576 configuraciones iniciales distintas.
Rotores
• Al pulsar una tecla, el rotor m´ as externo
avanzaba una posici´ on y generaba otra sustituci´ on. Cada 26 avances de un rotor, se provocaba un avance del siguiente. Cableado rotores
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Enigma
• Un panel de conexiones conectaba ciertas parejas
de letras entre s´ı, lo que daba una sustituci´ on adicional antes del primer rotor y otra despu´es del u ´ltimo. • Un anillo m´ ovil de letras en cada rotor (×17.576). • Los rotores eran intercambiables (×6
Teclado
permutaciones). • La codificaci´ on era sim´etrica: el receptor solo
ten´ıa que teclear el mensaje encriptado en una Enigma configurada igual que la Enigma emisora, y aparec´ıa el texto original. Panel
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
El uso de Enigma
´ • Ordenes diarias secretas para: (1) orden de los rotores; (2) posici´on de los anillos; (3) panel de conexiones; y (4) estado inicial de cada rotor. • Antes de cada mensaje, el operador escog´ıa al azar una nueva posici´ on de los
rotores, digamos XYZ, transmit´ıa XYZXYZ en la configuraci´on del d´ıa, colocaba los rotores en XYZ y transmit´ıa el resto del mensaje. • Los polacos usaron esa redundancia para descubrir la clave: coleccionando
suficientes mensajes, y analizando las 6 primeras letras, establec´ıan una “huella dactilar” u ´nica para la configuraci´ on del d´ıa. Tabularon las huellas en fichas perforadas.
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
El uso de Enigma • El m´ etodo era dependiente del uso de Enigma.
Cuando cambi´ o ese uso en Septiembre de 1938, sus fichas se volvieron in´ utiles. • Con los nuevos indicadores de 9 letras
encontraron otro tipo de huellas. Sus Bombas exploraban las 17.576 configuraciones de los rotores y se paraban al encontrar la huella buscada. • Ten´ıan 6 Bombas, una por cada permutaci´ on
de los tres rotores. El m´etodo segu´ıa dependiendo del uso. Adem´as no trataban el panel de conexiones.
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Bomba en operaci´ on
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Las Bombas • En Diciembre de 1938, los alemanes
aumentaron de 3 a 5 el juego de rotores. Ahora hab´ıa 60 variaciones de 3 rotores, lo que implicaba 60 Bombas. Tambien aumentaron de 6 a 10 las conexiones del panel. • La primera contribuci´ on de Turing fue
generalizar las Bombas para que no dependieran de los indicadores ni del panel. La idea era suministrarle hip´ otesis en base al texto del mensaje y que ella descartara las combinaciones que entraban en conflicto con ellas.
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Bombas reconstruidas en Bletchley Park
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Las Bombas
• Las nuevas Bombas empezaron a construirse
en 1940. Turing dise˜ no´ la mayor´ıa de los circuitos. • En 1940 pas´ o a dirigir “Hut-8”, equipo
responsable de la Enigma naval, que ten´ıa un juego de 8 rotores, a elegir 3: 336 variaciones. • Dise˜ n´ o otras Bombas m´as generales que
funcionaban por probabilidad. Desarroll´ o una teor´ıa matem´atica espec´ıfica.
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Bombas reconstruidas en Bletchley Park
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
Nuevos retos
• Tras varias capturas de submarinos, comprendieron mejor la Enigma naval y
consiguieron descifrar los mensajes en el d´ıa. Felicitados por Winston Churchill en 1941. • “Apag´ on” en Febrero de 1942 al introducir los alemanes un cuarto rotor, esta
vez fijo: ×26. Los hundimientos en el Atlantico Norte alcanzaron cifras insostenibles. • Se plantearon el uso de circuitos electr´ onicos para aumentar la velocidad. • Nuevo c´ odigo secreto Fish para los mensajes del alto mando alem´an:
m´aquina con 12 rotores, uso de cinta de papel y doble cifrado.
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La Segunda Guerra Mundial: Enigma y Bombas
La era electr´onica
• Errores alemanes les permitieron conocer la estructura de la m´ aquina de Fish
sin haber capturado ninguna. • Max Newman (Cambridge) y Tommy Flowers (Postal Office) encargados de
dise˜ nar la m´aquina electr´ onica para descifrar Fish: Colossus. • Turing contribuye con m´ etodos estad´ısticos. Completada en 1943. Se
construyeron 11 Colossus. • A finales de 1942, Turing es enviado a EE.UU. por unos meses a entrenar a
los analistas americanos en Enigma, a estudiar electr´ onica y a dise˜ nar un m´etodo irrompible para cifrar voz. • Se estima que las contribuciones de Alan Turing al desciframiento de
mensajes, acortaron la Guerra en dos o tres a˜ nos.
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El NPL, Manchester, y el nacimiento de los computadores
El National Physical Laboratory (NPL) • El principal objetivo de Turing al acabar la guerra era
construir un computador real con programa almacenado. • En 1945 se complet´ o en EE.UU. la ENIAC, (electr´ onica,
J. Eckert, J. Mauchly, J. von Neumann) para calcular trayectorias bal´ısticas. No era programable, aunque si m´as vers´atil que Colossus.
Colossus 1943
• El equipo de ENIAC comenz´ o a dise˜ nar la EDVAC, cuya
novedad ser´ıa almacenar el programa en memoria. En Junio de 1945, firmado por von Neumann, se public´ o Draft on a report on the EDVAC. • El report fue conocido por el NPL y el jefe de la Divisi´ on
John von Neumann
de Matem´aticas (Londres) llam´ o a Turing para encargarle un proyecto similar. • Turing acept´ o el encargo y escribi´ o un dise˜ no muy
detallado a finales de 1945. La m´aquina se llamar´ıa ACE (Automatic Computing Engine). Ricardo Pe˜ na (UCM)
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ENIAC 1945 SHM-UCM, 9 enero 2013
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El NPL, Manchester, y el nacimiento de los computadores
Los primeros computadores con programa almacenado • Turing trabaj´ o en la ACE hasta mediados de 1947. La
mala gesti´ on del NPL, las dificultades ingenieriles y la dif´ıcil comunicaci´ on con Turing, hicieron que este abandonara. A´ un as´ı, el proyecto se complet´ o en 1950. Ten´ıa una memoria de l´ıneas de retardo de mercurio. • Freddie Williams y Tom Kilburn, inicialmente
ACE 1950
subcontratados por el NPL, completaron un primer prototipo en la Universidad de Manchester. La memoria era un tubo de rayos cat´ odicos almacenando 2.048 bits. • Maurice Wilkes, de la Universidad de Cambridge, tras
unos contactos iniciales con el NPL, emprendi´ o su propio proyecto. La EDSAC fue el primer computador digno de tal nombre. Su memoria era de l´ıneas de retardo.
Manchester Baby 1948
• La EDVAC de von Neumann se complet´ o en 1951,
tambi´en con memoria de l´ıneas de retardo. EDSAC 1949
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El NPL, Manchester, y el nacimiento de los computadores
Caracter´ısticas de la ACE • Desde el principio descart´ o una memoria de v´alvulas y se decant´o, o por un
tubo de rayos cat´ odicos (a desarrollar por Williams), o por l´ıneas de retardo. • Decidi´ o un dise˜ no que minimizaba el hardware (caro) a costa de hacer m´as
cosas por software, incluidas las operaciones aritm´eticas. En ese sentido se separaba de la l´ınea dominante de EDVAC y EDSAC. • Deb´ıa trabajar en binario. Escribi´ o rutinas para transformar a/desde decimal.
´ • Enfasis en la rapidez. Reloj de 106 pulsos/seg. • En lugar de incluir una instrucci´ on de salto condicional, la simul´o a base de
automodificar el programa. Inspir´andose en sus MT, trataba las instrucciones como n´ umeros manipulables. • Invent´ o el concepto de subrutina (“tablas” de instrucciones) que se llamaban
entre s´ı jer´arquicamente. Invent´ o dos instrucciones, BURY y UNBURY, que apilaban y desapilaban direcciones de retorno.
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El NPL, Manchester, y el nacimiento de los computadores
En la Universidad de Manchester
• En 1948, su profesor y amigo Max Newman le ofreci´ o
un puesto en la Universidad de Manchester para trabajar a las o´rdenes de Williams en el nuevo computador. • All´ı se dedic´ o sobre todo a programar rutinas, aunque
Turing ante la consola de la Mark I
tuvo alguna influencia en el sucesor del “Baby”, la Ferranti Mark I, que ten´ıa ya tres tubos de Williams y un tambor magn´etico para almacenar datos y programas. • En esta ´ epoca escribi´ o Checking a large routine, primer
precedente hist´ orico del uso de la l´ ogica de predicados para razonar sobre los programas.
Freddie Williams
• Con esta m´ aquina demostr´ o que los primeros 1.540 ceros
de la funci´ on-Z de Riemann estaban en la recta cr´ıtica.
Mark I 1951 Ricardo Pe˜ na (UCM)
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Inteligencia artificial y morfog´ enesis
Los fundamentos de la Inteligencia Artificial
• Turing escribi´ o dos art´ıculos, que
despu´es han sido ampliamente citados: Intelligent Machinery (1948) y Computing Machinery and Intelligence (1950). • En el primero establece las bases del conexionismo y del aprendizaje artificial por medio del entrenamiento. Esta l´ınea ha fructificado actualmente en lo que se conoce como redes neuronales.
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Machinery” 1950 9 enero 2013 SHM-UCM,
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Inteligencia artificial y morfog´ enesis
The Imitation Game
• El segundo es de car´ acter m´as
filos´ ofico y se plantea la pregunta de si es posible emular la inteligencia en una m´aquina. • Aqu´ı es donde propone el conocido
Test de Turing en el que una m´aquina intenta confundir a un observador, que solo puede leer sus respuestas, haci´endole creer que es un humano.
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El Test de Turing
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Inteligencia artificial y morfog´ enesis
Modelos de morfog´enesis
• Cumplido su sue˜ no de contribuir a la creaci´ on y
programaci´ on de m´aquinas reales, su atenci´ on se dirige hacia otra de sus inquietudes cient´ıficas: las matem´aticas de la formaci´ on de patrones biol´ ogicos.
A. M. Turing en 1948
• ¿C´ omo se elige una direcci´ on privilegiada en la
gastrulaci´ on? ¿C´ omo se forman las manchas en la piel de algunos animales? ¿Por qu´e est´an presentes los n´ umeros de Fibonacci en las pi˜ nas y en los girasoles?
Gastrulaci´ on
Manchas Ricardo Pe˜ na (UCM)
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Inteligencia artificial y morfog´ enesis
El modelo en acci´on
• Plantea un sistema de ecuaciones
diferenciales que modelan la interacci´ on de dos agentes qu´ımicos o morfogenes: un activador y un inhibidor. • Su trabajo de 1952, The Chemical Basis of
Morphogenesis, muestra convincentemente que esos patrones son soluci´ on de sus ecuaciones. • Recientemente (Nature Genetics, Feb.
2012) se han identificado con precisi´ on el mecanismo y los morfogenes predichos por Turing.
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Persecuci´ on, crisis y muerte prematura
Persecuci´on, crisis y muerte prematura • Un amigo de un amante ocasional rob´ o en su casa y Turing lo denunci´o a la
•
• • •
polic´ıa. En el interrogatorio la polic´ıa se centr´ o en su homosexualidad, que ´el no trat´ o de ocultar. La combinaci´ on de haber “cometido” lo que en la Inglaterra de la ´epoca era un grave delito, ser poseedor de importantes secretos militares, y la atm´osfera de guerra fr´ıa de esos a˜ nos, hizo que fuera juzgado y condenado. Se le dio a elegir entre la c´arcel y la castraci´ on qu´ımica. Fue sometido a un fuerte tratamiento hormonal que le ocasion´ o varias crisis depresivas. Al mismo tiempo, sus visitas eran investigadas y la polic´ıa le ten´ıa bajo una estricta vigilancia. Fue encontrado muerto en su cama el 8 de Junio de 1954, envenenado por una manzana a medio comer impregnada en cianuro. Seg´ un su madre, su muerte fue accidental, pero la mayor´ıa de los historiadores y la propia polic´ıa diagnosticaron suicidio.
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Persecuci´ on, crisis y muerte prematura
El legado de Turing Los inform´aticos somos herederos de los campos que el abri´o para la ciencia. Nos dej´o muchos ejemplos: su generosidad, su desprendimiento de las cosas mundanas, y sobre todo, su pasi´ on ilimitada por el conocimiento.
Estatua de Alan Turing en Bletchley Park
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