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[導讀]轉(zhuǎn)自：新智元?|David小咸魚約翰·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，有幾個杰出的人物：愛因斯坦、圖靈、霍金，毫無疑問，馮·諾依曼也屬于他們中的一個，盡...

轉(zhuǎn)自：新智元 | David 小咸魚

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，有幾個杰出的人物：愛因斯坦、圖靈、霍金，毫無疑問，馮·諾依曼也屬于他們中的一個，盡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(xiàn)代計算機，他采用了圖靈奠定的卓越理論框架，并實際提出了為幾乎所有數(shù)字計算機提供動力的架構(gòu)：馮·諾依曼架構(gòu)。更有爭議的是，馮·諾依曼在二戰(zhàn)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(guān)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(zhàn)期間推動了「同歸于盡」的政策。至少可以說，約翰·馮·諾依曼是一個復雜的人物，但他在20世紀幾乎無人能及，可以說他對現(xiàn)代世界的責任比他同時代的任何人都大。

神童降世

約翰·馮·諾依曼于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，并給了這個家族一個世襲的頭銜「馬吉塔」，即現(xiàn)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?jīng)]有任何聯(lián)系，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(shù)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(shù)的除法，八歲時，他已經(jīng)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、意大利語和德語。小時候，他對歷史也有很深的興趣，并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(yōu)異的成績，但他的父親不相信數(shù)學家的職業(yè)會帶來經(jīng)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，后來在蘇黎世學習。化學似乎是馮·諾依曼少數(shù)幾個不感興趣的領(lǐng)域之一，盡管他確實獲得了蘇黎世化學工程文憑，同時還獲得了數(shù)學博士學位。

職業(yè)生涯早期

約翰·馮·諾依曼很早就發(fā)表了論文，從20歲開始，他寫了一篇定義序數(shù)的論文，這仍然是我們今天使用的定義。他寫了關(guān)于集合論的博士論文，并在一生中對該領(lǐng)域做出了若干貢獻。
到1927年，馮·諾依曼已經(jīng)發(fā)表了12篇著名的數(shù)學論文。到1929年，他已經(jīng)出版了32部作品，以大約一個月一篇學術(shù)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里講課，直到1929年他成為漢堡大學的一名私人教師。馮·諾依曼在父親于1929年去世后，皈依了天主教。1930年元旦，約翰·馮·諾依曼與布達佩斯大學經(jīng)濟學學生瑪麗埃塔·科維西結(jié)婚，并于1935年與她生下了他唯一的孩子瑪麗娜。雖然馮·諾依曼似乎注定要在德國科學院從事一個有前途的職業(yè)，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，并于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(shù)學教授之一，他也將在這個崗位上度過余生。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(zhàn)前最后一次訪問匈牙利時，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(zhàn)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(zhàn)期間對曼哈頓計劃的研究。一如既往，馮·諾依曼不能讓數(shù)學挑戰(zhàn)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年代投身于這些問題的研究，并成為該領(lǐng)域的專家。如果他有特長的話，那應該是研究聚能裝藥（Shaped Charges，用于爆破）領(lǐng)域的數(shù)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(yè)知識而被招募。 1943年，馮·諾依曼對曼哈頓計劃產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，钚-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(nèi)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(nèi)爆機制的動畫要引爆核爆炸，需要在炸彈的反應物中引發(fā)失控的裂變鏈式反應。鏈式反應的速度是指數(shù)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(zhàn)。內(nèi)爆型炸彈需要更復雜的控制來產(chǎn)生反應，但它也不需要像洛斯阿拉莫斯開發(fā)的槍型炸彈設計那樣耗費那么多的材料。內(nèi)爆型裝置使用一系列受控的常規(guī)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(nèi)爆的力量保持在原位，并允許更多的裂變材料釋放其能量。控制這些爆炸以產(chǎn)生精確的內(nèi)爆力來產(chǎn)生期望的反應是一項很大的挑戰(zhàn)，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并通過內(nèi)爆力適當壓縮，可以產(chǎn)生更有效的爆炸，盡可能多地使用現(xiàn)有的裂變材料。他經(jīng)常是少數(shù)幾個主張內(nèi)爆方法的人之一，并最終計算出了一個數(shù)學公式，表明如果內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)生的塵埃量。之后，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咨詢軍方。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(zhàn)爭迅速結(jié)束。提出這一建議的不止他一個人，但戰(zhàn)爭部長亨利·史汀生否決了將目標對準京都這個提議，因為那里有許多歷史建筑和重要的宗教圣地，所以最后選擇了廣島和長崎。 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。廣島和長崎被炸后，日本投降，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)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(fā)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(zhàn)的唯一方法。

核武器的「輕量化」思想

像戰(zhàn)后初期的許多美國人一樣，馮·諾依曼擔心美國在核武器發(fā)展方面落后于蘇聯(lián)。到上世紀40 年代末到50 年代初，用戰(zhàn)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(shù)所取代。
馮·諾依曼認為，導彈是核武器的未來，由于他與參與蘇聯(lián)武器研制的德國科學家有過接觸，他知道蘇聯(lián)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，可以裝入洲際彈道導彈的彈頭，馮·諾依曼積極為美國效力，努力縮小與蘇聯(lián)的「導彈差距」。戰(zhàn)后，馮·諾依曼在原子能委員會任職，為政府和軍方提供核技術(shù)開發(fā)和戰(zhàn)略方面的建議，并被廣泛認為是「確保相互毀滅」理論（MAD）的設計者，而 MAD 在冷戰(zhàn)期間確實被政府采納，成為事實上的美國國策。

建造第一臺真正的計算機

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(fā)表了具有里程碑意義的論文《論可計算數(shù)》，奠定了現(xiàn)代計算的理論基礎。
馮·諾依曼很快認識到了圖靈這一發(fā)現(xiàn)的重要性，并在30年代推動了計算機科學的發(fā)展。在普林斯頓大學，他和圖靈圍繞人工智能的思想曾進行了長時間的討論。作為一名數(shù)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，并沒有真正可以工作的計算機。在二戰(zhàn)結(jié)束后，這種情況很快就改變了。馮·諾依曼深入?yún)⑴c了第一臺可編程電子計算機「ENIAC」的開發(fā)，這臺計算機能夠識別和決定其他數(shù)據(jù)操作規(guī)則集，而不是最初使用的規(guī)則集。是馮諾依曼將 ENIAC 修改為作為存儲程序機器運行。后者讓使我們今天理解的現(xiàn)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，并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(lǐng)域最持久的貢獻是在當今運行的每臺計算機中使用的兩個基本概念：馮·諾依曼體系架構(gòu)和存儲程序概念。馮·諾依曼架構(gòu)涉及構(gòu)成計算機的物理電子電路的組織方式。按照這種方式構(gòu)建的計算機被稱為「馮·諾依曼機」。該架構(gòu)由算術(shù)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(gòu)成了中央處理器 (CPU)。 CPU 連接到內(nèi)存單元，該內(nèi)存單元包含將要由CPU處理和操作的所有數(shù)據(jù)。CPU還連接到輸入和輸出設備，以根據(jù)需要更改數(shù)據(jù)，并檢索運行程序的結(jié)果。自 1945 年馮諾依曼提出這一架構(gòu)以來，直到今天，它基本上仍是當今大多數(shù)通用計算機的運行方式，幾乎沒有改變。另一項重大創(chuàng)新與馮·諾依曼架構(gòu)有關(guān)，即存儲程序概念，也就是說，被操作或處理的數(shù)據(jù)，以及描述如何操縱和處理該數(shù)據(jù)的程序，都存儲在計算機的內(nèi)存中。這兩項相互交織的創(chuàng)新實現(xiàn)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、游戲、互聯(lián)網(wǎng)等幾乎所有一切數(shù)據(jù)的機器。

對其他領(lǐng)域的杰出貢獻

除了數(shù)學和計算機科學之外，馮·諾依曼一生都對其他幾個領(lǐng)域也做出了重大貢獻。
在早期的職業(yè)生涯中，馮·諾依曼為新興的量子力學領(lǐng)域做出了重大貢獻。 1932年，他和保羅·狄拉克在《量子力學的數(shù)學基礎》一書中發(fā)表了狄拉克-馮·諾依曼公理，這是該領(lǐng)域的第一個完整的數(shù)學框架。在這本書中，他還提出了量子邏輯的形式系統(tǒng)，也是同類體系中的首創(chuàng)。馮·諾依曼還將博弈論確立為一門嚴謹?shù)臄?shù)學學科，這無疑影響了他后來關(guān)于MAD理論的地緣政治戰(zhàn)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(lǐng)域，馮·諾依曼對元胞自動機的自我復制進行了徹底的數(shù)學分析，主要是構(gòu)造函數(shù)、正在構(gòu)建的事物以及構(gòu)造函數(shù)構(gòu)建所討論事物所遵循的藍圖之間的關(guān)系。該分析描述了一種自我復制的機器，它是在40年代設計的，沒有使用計算機。馮·諾依曼的數(shù)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，并使用 ENIAC 使用數(shù)值數(shù)據(jù)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(jié)果，他在1955年寫道：「工業(yè)燃燒煤和石油釋放到大氣中的二氧化碳，可能已經(jīng)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(shù)奇點」的人。馮·諾依曼的朋友斯坦·烏拉姆 (Stan Ulam) 后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、理查德·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(shù)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(zhì)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(xù)下去了?！?/span>

馮·諾依曼的去世，和他的光輝遺產(chǎn)

1955 年，馮·諾依曼在看醫(yī)生時發(fā)現(xiàn)他的鎖骨上長了一塊肉，他被診斷患有癌癥，但他并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(jié)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，即將到來的命運盡管難以接受，但已經(jīng)不可避免。」馮·諾依曼的病情在1956年持續(xù)惡化，最終被送進了華盛頓特區(qū)的沃爾特里德陸軍醫(yī)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，并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并沒有從儀式中得到安慰。 1957年2月8日，馮·諾依曼因癌癥逝世，享年53歲，他被安葬在新澤西州的普林斯頓公墓。關(guān)于馮·諾依曼的癌癥是否與他在「曼哈頓計劃」期間遭受輻射有關(guān)，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(zhì)。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(nèi)跑完一英里。但有些事，我們大多數(shù)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(shù)人高出好幾個數(shù)量級?！?/span> 馮·諾依曼的才華是毋庸置疑的，盡管他留下的遺產(chǎn)，尤其是核武器方面的貢獻，比他的朋友和崇拜者愿意承認的要復雜得多。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里，都不太可能出現(xiàn)像他一樣，對人類歷史產(chǎn)生如此重大影響的人了。

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