馮·諾依曼54年傳奇:上帝讓他開掛?

2021-11-30T05:12:04+00:00

在20世紀的天才中,有幾個傑出的人物:愛因斯坦、圖靈、霍金,毫無疑問,馮·諾依曼也屬於他們中的一個,儘管許多人不知道他是誰。

【導讀】約翰·馮·諾依曼是20世紀最有影響力的人物之一。從原子彈,到計算機、再到量子力學、氣候變化,你可能很難出對我們今天的世界和生活影響更大的科學家了。


在20世紀的天才中,有幾個傑出的人物:愛因斯坦、圖靈、霍金,毫無疑問,馮·諾依曼也屬於他們中的一個,儘管許多人不知道他是誰。


約翰·馮·諾依曼是20世紀最有影響力的人物之一。他可能比過去150年中任何一位偉大的思想更直接地影響了你的生活,他的研究涉及從量子力學到氣候科學的一切。



馮·諾依曼最大的貢獻是現代計算機,他採用了圖靈奠定的卓越理論框架,並實際提出了為幾乎所有數字計算機提供動力的架構:馮·諾依曼架構。


更有爭議的是,馮·諾依曼在二戰期間對曼哈頓計劃做出了重大貢獻,包括完善原子彈本身的設計和對其功能至關重要的機制。



與曼哈頓計劃的其他一些老兵不同,馮·諾依曼從未對自己在該計劃中的角色表示遺憾,甚至在冷戰期間推動了「同歸於盡」的政策。


至少可以說,約翰·馮·諾依曼是一個複雜的人物,但他在20世紀幾乎無人能及,可以說他對現代世界的責任比他同時代的任何人都大。


神童降世

約翰·馮·諾依曼於1903年12月28日出生在匈牙利首都布達佩斯。馮·諾依曼的父親是銀行家,母親是奧匈貴族的女兒,他的父母富有且受人尊敬。



1913年,奧匈帝國皇帝弗朗茨·約瑟夫授予馮·諾依曼的父親貴族地位,並給了這個家族一個世襲的頭銜「馬吉塔」,即現在的羅馬尼亞馬吉塔。


這個頭銜純粹是尊稱,因為這個家庭與這個地方沒有任何聯繫,但這是馮·諾依曼一生都會堅持的。


年輕的馮·諾依曼在同齡人中,被認為是真正的神童,尤其是在數學方面。人們認為他有攝影一般的記憶力,這幫助他從很小的時候就吸收了大量的知識。


馮·諾伊曼11歲時與表妹 Katalin Alcsuti在一起


六歲時,他就開始在頭腦中進行兩個八位數的除法,八歲時,他已經掌握了微積分。



他的父親認為,他所有的孩子都需要說除母語匈牙利語以外的歐洲主要語言,所以馮·諾依曼學習了英語、法語、義大利語和德語。


小時候,他對歷史也有很深的興趣,並閱讀了德國歷史學家威廉·昂肯的整部46卷專著《通史》。


德國歷史學家威廉·昂肯


在老師的鼓勵下,馮·諾依曼在學習上取得了優異的成績,但他的父親不相信數學家的職業會帶來經濟上的利益。


相反,馮·諾依曼和他的父親達成共識,同意馮·諾依曼從事化學工程,他17歲去柏林學習,後來在蘇黎世學習。


化學似乎是馮·諾依曼少數幾個不感興趣的領域之一,儘管他確實獲得了蘇黎世化學工程文憑,同時還獲得了數學博士學位。



職業生涯早期

約翰·馮·諾依曼很早就發表了論文,從20歲開始,他寫了一篇定義序數的論文,這仍然是我們今天使用的定義。他寫了關於集合論的博士論文,並在一生中對該領域做出了若干貢獻。


到1927年,馮·諾依曼已經發表了12篇著名的數學論文。到1929年,他已經出版了32部作品,以大約一個月一篇學術論文的速度寫出了很多重要的工作。


1928年,他成為柏林大學的一名私人教師,也是柏林大學歷史上獲得該職位最年輕的人。這個職位使他能夠在大學裡講課,直到1929年他成為漢堡大學的一名私人教師。


馮·諾依曼在父親於1929年去世後,皈依了天主教。1930年元旦,約翰·馮·諾依曼與布達佩斯大學經濟學學生瑪麗埃塔·科維西結婚,並於1935年與她生下了他唯一的孩子瑪麗娜。


雖然馮·諾依曼似乎註定要在德國科學院從事一個有前途的職業,但在1929年10月,他獲得了新澤西州普林斯頓大學的一個職位,他最終接受了這個職位,並於1930年與妻子一起前往美國。


移民美國

到1933年,約翰·馮·諾依曼成為新成立的普林斯頓高等研究院最初的六名數學教授之一,他也將在這個崗位上度過餘生。


當他搬到新澤西時,像他之前的許多美國移民一樣,馮·諾依曼將他的匈牙利名字英語化了(由瑪吉塔伊·諾依曼·亞諾斯變成約翰·馮·諾依曼,使用德國式的世襲尊稱)。


1937年,他和妻子離婚,第二年馮·諾依曼再婚,這次是和克拉拉·丹,他在第二次世界大戰前最後一次訪問匈牙利時,在布達佩斯第一次見到了克拉拉·丹。



1937年,馮·諾依曼成為美國公民,1939年,他的母親、兄弟姐妹和姻親也都移民到了美國(他的父親早些時候去世了)。


戰爭年代與「曼哈頓計劃」

約翰·馮·諾依曼對歷史最重要的貢獻之一是他在第二次世界大戰期間對曼哈頓計劃的研究。


一如既往,馮·諾依曼不能讓數學挑戰得不到解決,更困難的問題之一是如何模擬爆炸的影響。


馮·諾依曼在20世紀30年代投身於這些問題的研究,並成為該領域的專家。如果他有特長的話,那應該是研究聚能裝藥(Shaped Charges,用於爆破)領域的數學問題,聚能裝藥是用來控制和引導爆炸能量的。



這使他與美國軍方,特別是美國海軍進行了相當多的定期磋商。當曼哈頓計劃在20世紀40年代初開始工作時,馮·諾依曼因其專業知識而被招募。


1943年,馮·諾依曼對曼哈頓計劃產生了最重大、最持久的影響。


曼哈頓計劃成員


當時,設計原子彈的洛斯阿拉莫斯實驗室發現,鈽-239(該項目使用的裂變材料之一)與實驗室的工作炸彈設計不兼容。


實驗室的物理學家塞斯·尼德邁爾一直在研究一種獨立的內爆型炸彈設計,這種設計很有希望,但許多人認為它不可行。


核彈內爆機制的動畫


要引爆核爆炸,需要在炸彈的反應物中引發失控的裂變鏈式反應。鏈式反應的速度是指數級的,因此控制爆炸足夠長的時間,使足夠的裂變材料進行所需的反應,是一項重大挑戰。


內爆型炸彈需要更複雜的控制來產生反應,但它也不需要像洛斯阿拉莫斯開發的槍型炸彈設計那樣耗費那麼多的材料。


內爆型裝置使用一系列受控的常規爆炸來壓縮其核心中的裂變反應物。


在這種壓力下,裂變材料迅速開始核裂變鏈式反應,通過內爆的力量保持在原位,並允許更多的裂變材料釋放其能量。



控制這些爆炸以產生精確的內爆力來產生期望的反應是一項很大的挑戰,而馮·諾依曼以極大的熱情接受了它。


他認為,使用較少的球形材料並通過內爆力適當壓縮,可以產生更有效的爆炸,儘可能多地使用現有的裂變材料。


他經常是少數幾個主張內爆方法的人之一,並最終計算出了一個數學公式,表明如果內爆能以至少95%的精度保持球形的幾何形狀,該方法就是可以實現的。


馮·諾依曼還計算出,如果爆炸在目標上方一定距離引爆,而不是在擊中地面時引爆,爆炸的有效性將會提高。


這大大增加了原子彈的殺傷力,也減少了爆炸產生的塵埃量。


之後,馮·諾依曼被選為科學顧問團隊的一員,他們就炸彈的可能目標諮詢軍方。


馮·諾依曼建議將目標定為日本京都,因為京都作為文化之都,其毀滅可能足以迫使戰爭迅速結束。


提出這一建議的不止他一個人,但戰爭部長亨利·史汀生否決了將目標對準京都這個提議,因為那裡有許多歷史建築和重要的宗教聖地,所以最後選擇了廣島和長崎。


1945年7月16日的三位一體試驗中,馮·諾依曼在場,當時第一枚原子武器被引爆。廣島和長崎被炸後,日本投降,第二次世界大戰結束。


三位一體試驗


與曼哈頓計劃中同時代的一些人不同,馮·諾依曼似乎沒有任何反思的痛苦、遺憾,甚至對他在原子彈方面的工作也沒有一絲懷疑。


事實上,馮·諾依曼是核武器發展和相互保證毀滅(MAD)理論的最有力支持者之一,認為這是防止另一場災難性世界大戰的唯一方法。


核武器的「輕量化」思想

像戰後初期的許多美國人一樣,馮·諾依曼擔心美國在核武器發展方面落後於蘇聯。到上世紀40 年代末到50 年代初,用戰略轟炸機向敵人投擲更多原子彈的理念,逐漸被新的火箭技術所取代。


馮·諾依曼認為,飛彈是核武器的未來,由於他與參與蘇聯武器研製的德國科學家有過接觸,他知道蘇聯對此問題的看法與他是一樣的。


軍備競賽開始了,美蘇兩國把氫彈越做越小,可以裝入洲際彈道飛彈的彈頭,馮·諾依曼積極為美國效力,努力縮小與蘇聯的「飛彈差距」。


戰後,馮·諾依曼在原子能委員會任職,為政府和軍方提供核技術開發和戰略方面的建議,並被廣泛認為是「確保相互毀滅」理論(MAD)的設計者,而 MAD 在冷戰期間確實被政府採納,成為事實上的美國國策。


建造第一台真正的計算機


馮·諾依曼在上世紀30年代初遇到了艾倫·圖靈,當時圖靈正在普林斯頓攻讀博士學位。1937年,圖靈發表了具有里程碑意義的論文《論可計算數》,奠定了現代計算的理論基礎。



馮·諾依曼很快認識到了圖靈這一發現的重要性,並在30年代推動了計算機科學的發展。在普林斯頓大學,他和圖靈圍繞人工智慧的思想曾進行了長時間的討論。


作為一名數學家,馮·諾依曼從更抽象的角度研究計算機科學,另一個原因也是因為在30年代時,並沒有真正可以工作的計算機。


在二戰結束後,這種情況很快就改變了。



馮·諾依曼深入參與了第一台可編程電子計算機「ENIAC」的開發,這台計算機能夠識別和決定其他數據操作規則集,而不是最初使用的規則集。是馮諾依曼將 ENIAC 修改為作為存儲程序機器運行。


後者讓使我們今天理解的現代程序成為可能。馮·諾依曼本人編寫了幾個在 ENIAC 上運行的首批程序,並用這些程序模擬原子能委員會的部分核武器研究。


毫無疑問,馮·諾依曼對計算機科學領域最持久的貢獻是在當今運行的每台計算機中使用的兩個基本概念:馮·諾依曼體系架構和存儲程序概念。



馮·諾依曼架構涉及構成計算機的物理電子電路的組織方式。按照這種方式構建的計算機被稱為「馮·諾依曼機」。該架構由算術和邏輯單元 (ALU)、控制單元和臨時存儲器寄存器組成,它們共同構成了中央處理器 (CPU)。


CPU 連接到內存單元,該內存單元包含將要由CPU處理和操作的所有數據。CPU還連接到輸入和輸出設備,以根據需要更改數據,並檢索運行程序的結果。


自 1945 年馮諾依曼提出這一架構以來,直到今天,它基本上仍是當今大多數通用計算機的運行方式,幾乎沒有改變。


另一項重大創新與馮·諾依曼架構有關,即存儲程序概念,也就是說,被操作或處理的數據,以及描述如何操縱和處理該數據的程序,都存儲在計算機的內存中。


這兩項相互交織的創新實現了圖靈機的理論框架,實際上將它們變成了可以用來計算工資、火炮軌跡、遊戲、網際網路等幾乎所有一切數據的機器。


對其他領域的傑出貢獻

除了數學和計算機科學之外,馮·諾依曼一生都對其他幾個領域也做出了重大貢獻。


在早期的職業生涯中,馮·諾依曼為新興的量子力學領域做出了重大貢獻。



1932年,他和保羅·狄拉克在《量子力學的數學基礎》一書中發表了狄拉克-馮·諾依曼公理,這是該領域的第一個完整的數學框架。在這本書中,他還提出了量子邏輯的形式系統,也是同類體系中的首創。


馮·諾依曼還將博弈論確立為一門嚴謹的數學學科,這無疑影響了他後來關於MAD理論的地緣政治戰略工作。



馮·諾依曼的博弈論中包含這樣一個觀點,即在廣泛的博弈類別中,總是有可能找到一個平衡,任何參與者都不應單方面偏離這個平衡。


在生命科學領域,馮·諾依曼對元胞自動機的自我複製進行了徹底的數學分析,主要是構造函數、正在構建的事物以及構造函數構建所討論事物所遵循的藍圖之間的關係。該分析描述了一種自我複製的機器,它是在40年代設計的,沒有使用計算機。


馮·諾依曼的數學造詣也惠及氣候科學。1950年,他編寫了第一個氣候建模程序,並使用 ENIAC 使用數值數據進行了世界上第一個氣象預測。


馮·諾依曼預計,全球變暖是人類活動的結果,他在1955年寫道:


「工業燃燒煤和石油釋放到大氣中的二氧化碳,可能已經充分改變了大氣的成分,導致全球普遍變暖約1華氏度。」


馮·諾依曼也被認為是第一個描述「技術奇點」的人。馮·諾依曼的朋友斯坦·烏拉姆 (Stan Ulam) 後來描述了與他的一次對話,這次對話在今天聽起來非常有先見之明。


斯坦·烏拉姆、理察·費曼和馮·諾依曼在一起


烏拉姆回憶說:「有一次談話集中在不斷加速的技術進步和人類生活方式的變化上,這讓我們看到了人類歷史上一些本質上的奇點。一旦超越了這些奇點,我們所熟知的人類事務就將無法繼續下去了。」


馮·諾依曼的去世,和他的光輝遺產

1955 年,馮·諾依曼在看醫生時發現他的鎖骨上長了一塊肉,他被診斷患有癌症,但他並沒有充分接受這個事實。


眾所周知,馮·諾依曼對即將到來的結局感到恐懼。他的一生好友尤金·維格納 (Eugene Wigner) 寫道:




「當馮·諾依曼意識到自己病入膏肓時,他的邏輯迫使他意識到,自己即將不復存在,因此也不再有思想……親眼目睹這一過程是令人心碎的,所有的希望都消失了,即將到來的命運儘管難以接受,但已經不可避免。」


馮·諾依曼的病情在1956年持續惡化,最終被送進了華盛頓特區的沃爾特里德陸軍醫療中心。為防止泄密,軍方對他實施了特殊的安全措施。


馮·諾依曼邀請一位天主教神父在他臨終前商量,並接受了他的臨終儀式安排。不過這位神父本人表示,馮諾依曼看上去似乎並沒有從儀式中得到安慰。


1957年2月8日,馮·諾依曼因癌症逝世,享年53歲,他被安葬在新澤西州的普林斯頓公墓。


關於馮·諾依曼的癌症是否與他在「曼哈頓計劃」期間遭受輻射有關,人們一直存在爭議,但毫無爭議的是,人類過早地失去了當代最偉大的科學巨人之一。




馮·諾依曼的助手 P.R. Halmos 在1973年寫道:


「人類的英雄有兩種:一種和我們所有人一樣,但更加相似,另一種顯然具有一些「超人」的特質。


我們都可以跑步,我們中的一些人可以在不到4分鐘的時間內跑完一英里。但有些事,我們大多數人一輩子都無法做到。馮·諾依曼的偉大貢獻是惠及全人類的。在某些時候,我們或多或少都能清晰地思考,但馮·諾依曼的清晰思維始終比我們大多數人高出好幾個數量級。」


馮·諾依曼的才華是毋庸置疑的,儘管他留下的遺產,尤其是核武器方面的貢獻,比他的朋友和崇拜者願意承認的要複雜得多。


無論我們最終如何看待馮·諾依曼和他的成就,我們都可以肯定地說,在未來一代人甚至幾代人的時間裡,都不太可能出現像他一樣,對人類歷史產生如此重大影響的人了。


原文連結:


https://interestingengineering.com/john-von-neumann-human-the-computer-behind-project-manhattan

關鍵字:

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2021-11-16T06:27:37.319293+00:00

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