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冯·诺依曼54年传奇:上帝让他开挂?

约翰·冯·诺依曼是20世纪最有影响力的人物之一。从原子弹,到计算机、再到量子力学、气候变化,你可能很难出对我们今天的世界和生活影响更大的科学家了。在20世纪的天才中,有几个杰出的人物:爱因斯坦、图灵、霍金,毫无疑问,冯·诺依曼也属于他们中的一个,尽管许多人不知道他是谁。

约翰·冯·诺依曼是20世纪最有影响力的人物之一。他可能比过去150年中任何一位伟大的思想更直接地影响了你的生活,他的研究涉及从量子力学到气候科学的一切。

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冯·诺依曼最大的贡献是现代计算机,他采用了图灵奠定的卓越理论框架,并实际提出了为几乎所有数字计算机提供动力的架构:冯·诺依曼架构。

更有争议的是,冯·诺依曼在二战期间对曼哈顿计划做出了重大贡献,包括完善原子弹本身的设计和对其功能至关重要的机制。

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与曼哈顿计划的其他一些老兵不同,冯·诺依曼从未对自己在该计划中的角色表示遗憾,甚至在冷战期间推动了“同归于尽”的政策。

至少可以说,约翰·冯·诺依曼是一个复杂的人物,但他在20世纪几乎无人能及,可以说他对现代世界的责任比他同时代的任何人都大。

神童降世

约翰·冯·诺依曼于1903年12月28日出生在匈牙利首都布达佩斯。冯·诺依曼的父亲是银行家,母亲是奥匈贵族的女儿,他的父母富有且受人尊敬。

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1913年,奥匈帝国皇帝弗朗茨·约瑟夫授予冯·诺依曼的父亲贵族地位,并给了这个家族一个世袭的头衔“马吉塔”,即现在的罗马尼亚马吉塔。

这个头衔纯粹是尊称,因为这个家庭与这个地方没有任何联系,但这是冯·诺依曼一生都会坚持的。

年轻的冯·诺依曼在同龄人中,被认为是真正的神童,尤其是在数学方面。人们认为他有摄影一般的记忆力,这帮助他从很小的时候就吸收了大量的知识。

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冯·诺伊曼11岁时与表妹 Katalin Alcsuti在一起

六岁时,他就开始在头脑中进行两个八位数的除法,八岁时,他已经掌握了微积分。

他的父亲认为,他所有的孩子都需要说除母语匈牙利语以外的欧洲主要语言,所以冯·诺依曼学习了英语、法语、意大利语和德语。

小时候,他对历史也有很深的兴趣,并阅读了德国历史学家威廉·昂肯的整部46卷专著《通史》。

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德国历史学家威廉·昂肯

在老师的鼓励下,冯·诺依曼在学习上取得了优异的成绩,但他的父亲不相信数学家的职业会带来经济上的利益。

相反,冯·诺依曼和他的父亲达成共识,同意冯·诺依曼从事化学工程,他17岁去柏林学习,后来在苏黎世学习。

化学似乎是冯·诺依曼少数几个不感兴趣的领域之一,尽管他确实获得了苏黎世化学工程文凭,同时还获得了数学博士学位。

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职业生涯早期

约翰·冯·诺依曼很早就发表了论文,从20岁开始,他写了一篇定义序数的论文,这仍然是我们今天使用的定义。他写了关于集合论的博士论文,并在一生中对该领域做出了若干贡献。

到1927年,冯·诺依曼已经发表了12篇著名的数学论文。到1929年,他已经出版了32部作品,以大约一个月一篇学术论文的速度写出了很多重要的工作。

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1928年,他成为柏林大学的一名私人教师,也是柏林大学历史上获得该职位最年轻的人。这个职位使他能够在大学里讲课,直到1929年他成为汉堡大学的一名私人教师。

冯·诺依曼在父亲于1929年去世后,皈依了天主教。1930年元旦,约翰·冯·诺依曼与布达佩斯大学经济学学生玛丽埃塔·科维西结婚,并于1935年与她生下了他唯一的孩子玛丽娜。

虽然冯·诺依曼似乎注定要在德国科学院从事一个有前途的职业,但在1929年10月,他获得了新泽西州普林斯顿大学的一个职位,他最终接受了这个职位,并于1930年与妻子一起前往美国。

移民美国

到1933年,约翰·冯·诺依曼成为新成立的普林斯顿高等研究院最初的六名数学教授之一,他也将在这个岗位上度过余生。

当他搬到新泽西时,像他之前的许多美国移民一样,冯·诺依曼将他的匈牙利名字英语化了(由玛吉塔伊·诺依曼·亚诺斯变成约翰·冯·诺依曼,使用德国式的世袭尊称)。

1937年,他和妻子离婚,第二年冯·诺依曼再婚,这次是和克拉拉·丹,他在第二次世界大战前最后一次访问匈牙利时,在布达佩斯第一次见到了克拉拉·丹。

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1937年,冯·诺依曼成为美国公民,1939年,他的母亲、兄弟姐妹和姻亲也都移民到了美国(他的父亲早些时候去世了)。

战争年代与“曼哈顿计划”

约翰·冯·诺依曼对历史最重要的贡献之一是他在第二次世界大战期间对曼哈顿计划的研究。

一如既往,冯·诺依曼不能让数学挑战得不到解决,更困难的问题之一是如何模拟爆炸的影响。

冯·诺依曼在20世纪30年代投身于这些问题的研究,并成为该领域的专家。如果他有特长的话,那应该是研究聚能装药(Shaped Charges,用于爆破)领域的数学问题,聚能装药是用来控制和引导爆炸能量的。

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这使他与美国军方,特别是美国海军进行了相当多的定期磋商。当曼哈顿计划在20世纪40年代初开始工作时,冯·诺依曼因其专业知识而被招募。

1943年,冯·诺依曼对曼哈顿计划产生了最重大、最持久的影响。

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曼哈顿计划成员

当时,设计原子弹的洛斯阿拉莫斯实验室发现,钚-239(该项目使用的裂变材料之一)与实验室的工作炸弹设计不兼容。

实验室的物理学家塞斯·尼德迈尔一直在研究一种独立的内爆型炸弹设计,这种设计很有希望,但许多人认为它不可行。

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核弹内爆机制的动画

要引爆核爆炸,需要在炸弹的反应物中引发失控的裂变链式反应。链式反应的速度是指数级的,因此控制爆炸足够长的时间,使足够的裂变材料进行所需的反应,是一项重大挑战。

内爆型炸弹需要更复杂的控制来产生反应,但它也不需要像洛斯阿拉莫斯开发的枪型炸弹设计那样耗费那么多的材料。

内爆型装置使用一系列受控的常规爆炸来压缩其核心中的裂变反应物。

在这种压力下,裂变材料迅速开始核裂变链式反应,通过内爆的力量保持在原位,并允许更多的裂变材料释放其能量。

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控制这些爆炸以产生精确的内爆力来产生期望的反应是一项很大的挑战,而冯·诺依曼以极大的热情接受了它。

他认为,使用较少的球形材料并通过内爆力适当压缩,可以产生更有效的爆炸,尽可能多地使用现有的裂变材料。

他经常是少数几个主张内爆方法的人之一,并最终计算出了一个数学公式,表明如果内爆能以至少95%的精度保持球形的几何形状,该方法就是可以实现的。

冯·诺依曼还计算出,如果爆炸在目标上方一定距离引爆,而不是在击中地面时引爆,爆炸的有效性将会提高。

这大大增加了原子弹的杀伤力,也减少了爆炸产生的尘埃量。

之后,冯·诺依曼被选为科学顾问团队的一员,他们就炸弹的可能目标咨询军方。

冯·诺依曼建议将目标定为日本京都,因为京都作为文化之都,其毁灭可能足以迫使战争迅速结束。

提出这一建议的不止他一个人,但战争部长亨利·史汀生否决了将目标对准京都这个提议,因为那里有许多历史建筑和重要的宗教圣地,所以最后选择了广岛和长崎。

1945年7月16日的三位一体试验中,冯·诺依曼在场,当时第一枚原子武器被引爆。广岛和长崎被炸后,日本投降,第二次世界大战结束。

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三位一体试验

与曼哈顿计划中同时代的一些人不同,冯·诺依曼似乎没有任何反思的痛苦、遗憾,甚至对他在原子弹方面的工作也没有一丝怀疑。

事实上,冯·诺依曼是核武器发展和相互保证毁灭(MAD)理论的最有力支持者之一,认为这是防止另一场灾难性世界大战的唯一方法。

核武器的“轻量化”思想

像战后初期的许多美国人一样,冯·诺依曼担心美国在核武器发展方面落后于苏联。到上世纪40 年代末到50 年代初,用战略轰炸机向敌人投掷更多原子弹的理念,逐渐被新的火箭技术所取代。

冯·诺依曼认为,导弹是核武器的未来,由于他与参与苏联武器研制的德国科学家有过接触,他知道苏联对此问题的看法与他是一样的。

军备竞赛开始了,美苏两国把氢弹越做越小,可以装入洲际弹道导弹的弹头,冯·诺依曼积极为美国效力,努力缩小与苏联的“导弹差距”。

战后,冯·诺依曼在原子能委员会任职,为政府和军方提供核技术开发和战略方面的建议,并被广泛认为是“确保相互毁灭”理论(MAD)的设计者,而 MAD 在冷战期间确实被政府采纳,成为事实上的美国国策。

建造第一台真正的计算机

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冯·诺依曼在上世纪30年代初遇到了艾伦·图灵,当时图灵正在普林斯顿攻读博士学位。1937年,图灵发表了具有里程碑意义的论文《论可计算数》,奠定了现代计算的理论基础。

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冯·诺依曼很快认识到了图灵这一发现的重要性,并在30年代推动了计算机科学的发展。在普林斯顿大学,他和图灵围绕人工智能的思想曾进行了长时间的讨论。

作为一名数学家,冯·诺依曼从更抽象的角度研究计算机科学,另一个原因也是因为在30年代时,并没有真正可以工作的计算机。

在二战结束后,这种情况很快就改变了。

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冯·诺依曼深入参与了第一台可编程电子计算机“ENIAC”的开发,这台计算机能够识别和决定其他数据操作规则集,而不是最初使用的规则集。是冯诺依曼将 ENIAC 修改为作为存储程序机器运行。

后者让使我们今天理解的现代程序成为可能。冯·诺依曼本人编写了几个在 ENIAC 上运行的首批程序,并用这些程序模拟原子能委员会的部分核武器研究。

毫无疑问,冯·诺依曼对计算机科学领域最持久的贡献是在当今运行的每台计算机中使用的两个基本概念:冯·诺依曼体系架构和存储程序概念。

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冯·诺依曼架构涉及构成计算机的物理电子电路的组织方式。按照这种方式构建的计算机被称为“冯·诺依曼机”。该架构由算术和逻辑单元 (ALU)、控制单元和临时存储器寄存器组成,它们共同构成了中央处理器 (CPU)。

CPU 连接到内存单元,该内存单元包含将要由CPU处理和操作的所有数据。CPU还连接到输入和输出设备,以根据需要更改数据,并检索运行程序的结果。

自 1945 年冯诺依曼提出这一架构以来,直到今天,它基本上仍是当今大多数通用计算机的运行方式,几乎没有改变。

另一项重大创新与冯·诺依曼架构有关,即存储程序概念,也就是说,被操作或处理的数据,以及描述如何操纵和处理该数据的程序,都存储在计算机的内存中。

这两项相互交织的创新实现了图灵机的理论框架,实际上将它们变成了可以用来计算工资、火炮轨迹、游戏、互联网等几乎所有一切数据的机器。

对其他领域的杰出贡献

除了数学和计算机科学之外,冯·诺依曼一生都对其他几个领域也做出了重大贡献。

在早期的职业生涯中,冯·诺依曼为新兴的量子力学领域做出了重大贡献。

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1932年,他和保罗·狄拉克在《量子力学的数学基础》一书中发表了狄拉克-冯·诺依曼公理,这是该领域的第一个完整的数学框架。在这本书中,他还提出了量子逻辑的形式系统,也是同类体系中的首创。

冯·诺依曼还将博弈论确立为一门严谨的数学学科,这无疑影响了他后来关于MAD理论的地缘政治战略工作。

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冯·诺依曼的博弈论中包含这样一个观点,即在广泛的博弈类别中,总是有可能找到一个平衡,任何参与者都不应单方面偏离这个平衡。

在生命科学领域,冯·诺依曼对元胞自动机的自我复制进行了彻底的数学分析,主要是构造函数、正在构建的事物以及构造函数构建所讨论事物所遵循的蓝图之间的关系。该分析描述了一种自我复制的机器,它是在40年代设计的,没有使用计算机。

冯·诺依曼的数学造诣也惠及气候科学。1950年,他编写了第一个气候建模程序,并使用 ENIAC 使用数值数据进行了世界上第一个气象预测。

冯·诺依曼预计,全球变暖是人类活动的结果,他在1955年写道:

“工业燃烧煤和石油释放到大气中的二氧化碳,可能已经充分改变了大气的成分,导致全球普遍变暖约1华氏度。”

冯·诺依曼也被认为是第一个描述“技术奇点”的人。冯·诺依曼的朋友斯坦·乌拉姆 (Stan Ulam) 后来描述了与他的一次对话,这次对话在今天听起来非常有先见之明。

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斯坦·乌拉姆、理查德·费曼和冯·诺依曼在一起

乌拉姆回忆说:“有一次谈话集中在不断加速的技术进步和人类生活方式的变化上,这让我们看到了人类历史上一些本质上的奇点。一旦超越了这些奇点,我们所熟知的人类事务就将无法继续下去了。”

冯·诺依曼的去世,和他的光辉遗产

1955 年,冯·诺依曼在看医生时发现他的锁骨上长了一块肉,他被诊断患有癌症,但他并没有充分接受这个事实。

众所周知,冯·诺依曼对即将到来的结局感到恐惧。他的一生好友尤金·维格纳 (Eugene Wigner) 写道:

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“当冯·诺依曼意识到自己病入膏肓时,他的逻辑迫使他意识到,自己即将不复存在,因此也不再有思想……亲眼目睹这一过程是令人心碎的,所有的希望都消失了,即将到来的命运尽管难以接受,但已经不可避免。”

冯·诺依曼的病情在1956年持续恶化,最终被送进了华盛顿特区的沃尔特里德陆军医疗中心。为防止泄密,军方对他实施了特殊的安全措施。

冯·诺依曼邀请一位天主教神父在他临终前商量,并接受了他的临终仪式安排。不过这位神父本人表示,冯诺依曼看上去似乎并没有从仪式中得到安慰。

1957年2月8日,冯·诺依曼因癌症逝世,享年53岁,他被安葬在新泽西州的普林斯顿公墓。

关于冯·诺依曼的癌症是否与他在“曼哈顿计划”期间遭受辐射有关,人们一直存在争议,但毫无争议的是,人类过早地失去了当代最伟大的科学巨人之一。

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冯·诺依曼的助手 P.R. Halmos 在1973年写道:

“人类的英雄有两种:一种和我们所有人一样,但更加相似,另一种显然具有一些“超人”的特质。

我们都可以跑步,我们中的一些人可以在不到4分钟的时间内跑完一英里。但有些事,我们大多数人一辈子都无法做到。冯·诺依曼的伟大贡献是惠及全人类的。在某些时候,我们或多或少都能清晰地思考,但冯·诺依曼的清晰思维始终比我们大多数人高出好几个数量级。”

冯·诺依曼的才华是毋庸置疑的,尽管他留下的遗产,尤其是核武器方面的贡献,比他的朋友和崇拜者愿意承认的要复杂得多。

无论我们最终如何看待冯·诺依曼和他的成就,我们都可以肯定地说,在未来一代人甚至几代人的时间里,都不太可能出现像他一样,对人类历史产生如此重大影响的人了。

原文链接:

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

来源:cnbeta

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