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20世紀最傑出的科學家 John von Neumann / More about John von Neumann
2015/07/13 20:42
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20世紀最傑出的科學家 John von Neumann

約翰·馮·諾伊曼(匈牙利語:Neumann János;英語:John von Neumann,1903年12月28日-1957年2月8日)是出生於匈牙利的美國籍猶太人數學家,合作博弈論的創立人,現代計算機創始人之一。他在物理學中的量子力學、計算機科學、以及其它領域都作過重大貢獻。

1 馮·諾伊曼 -個人簡介

姓名:馮·諾伊曼,(von Neumann,John)。
籍貫:匈牙利。
姓名:(英文) John Von Neumann()。
出生年月 1903年12月28日-1957年2月8日。
出生國家:地點 匈牙利布達佩斯。
教育背景:1926年,獲得布達佩斯大學數學博士學位。
1925年,獲得瑞士蘇黎士聯邦工業大學化學工程學位。
1921年-1923年,柏林大學。
1921年,進入布達佩斯大學。
職業背景:1930年-1955年,普林斯頓大學任教。
名言:「如果人們不相信數學很簡單,只是因為他們沒有認識到生活有多複雜。」

2 馮·諾伊曼 -職業生涯

馮·諾伊曼在實驗室

諾伊曼於1903年出生於匈牙利的布達佩斯。他是一個數字神童,11歲時已顯示出數學天賦。12歲的諾伊曼就對集合論,泛函分析等深奧的數學領域了如指掌。青年時期,諾伊曼從著名數學家希爾伯特,從此,他更是如魚得水,在數學在海洋中暢遊。在獲得數學博士之後,他成為美國普林斯頓大學的第一批終身教授,那時,他還不到30歲。
諾伊曼不僅是個數學天才,在其他領域也大有建樹。他精通七種語言,在化學方面也有相當的造詣,曾獲蘇黎世高等技術學院化學系大學學位。更為難得的是,他並不僅僅局限於純數學上的研究,而是把數學應用到其他學科中去。他對經典力學、量子力學和流體力學的數學基礎進行過深入的研究,並獲得重大成果,這些都說明諾伊曼具備了堅實的數理基礎,和廣博的知識,為他後來從事計算機邏輯設計提供了堅強的後盾。
1944年,諾伊曼參加原子彈的研製工作,該工作涉及到極為困難的計算。在對原子核反應過程的研究中,要對一個反應的傳播做出「是」或「否」的回答。解決這一問題通常需要通過幾十億次的數學運算和邏輯指令,儘管最終的數據並不要求十分精確,但所有的中間運算過程均不可缺少,且要儘可能保持準確。他所在的洛·斯阿拉莫斯實驗室為此聘用了一百多名女計算員,利用台式計算機從早到晚計算,還是遠遠不能滿足需要。無窮無盡的數字和邏輯指令如同沙漠一樣把人的智慧和精力吸盡。
被計算機所困擾的諾伊曼在一次極為偶然的機會中知道了ENIAC計算機的研製計劃,從此他投身到計算機研製這一宏偉的事業中,建立了一生中最大的豐功偉績。
1944年夏的一天,正在火車站候車的諾伊曼巧遇戈爾斯坦,並同他進行了短暫的交談。當時,戈爾斯坦是美國彈道實驗室的軍方負責人,他正參與ENIAC計算機的研製工作。在交談在,戈爾斯坦告訴了諾伊曼有關ENIAC的研製情況。具有遠見卓識的諾伊曼為這一研製計劃所吸引,他意識到了這項工作的深遠意義。
幾天之後,諾伊曼專程來到莫爾學院,參觀了尚未竣工的這台龐大的機器,並以其敏銳的眼光,一下子抓住了計算機的靈魂--邏輯結構問題,令年輕的ENIAC的研製們敬佩不已。 
 因實際工作中對計算的需要以及把數學應用到其他科學問題的強烈願望,使諾伊曼迅速決定投身到計算機研製者的行列。對業已功成名就的諾伊曼來說,這樣做需要極大的勇氣,因為這是一個成敗未卜的新征途,一旦失敗,會影響他已取得的名譽和地位。諾伊曼卻以對新事物前途的洞察力,毅然決然地向此征途邁出了第一步,於1944年8月加入莫爾計算機研製小組,為計算機研製翻開了輝煌的一頁。
諾伊曼以其非凡的分析、綜合能力及雄厚的數理基礎,集眾人之長,提出了一系列優秀的設計思想,在他和莫爾小組其他成員的共同努力下,只經歷了短短的十個月,人類在數千年中積累起來的科學技術文明,終於結出了最激動人心的智慧之花--一個全新的存儲程序通用電子計算機方案(EDVAC方案)誕生了。
諾伊曼以「關於EDVAC的報告草案」為題,起草了長達101頁的總結報告。報告廣泛而具體地介紹了製造電子計算機和程序設計的新思想。報告明確規定,EDVAC計算機由計算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出五大部分組成,並闡述了這五大部分的職能和相互關係。這份報告是計算機發展史上一個劃時代的文獻,它向世界宣告:電子計算機的時代開始了。
1954年6月,諾伊曼到美國普林斯頓高級研究所工作,出任ISA計算機研製小組的主任職位。在那時,他提出了更加完善的設計報告「電子計算裝置邏輯結構初探」。報告中,諾伊曼對EDVAC中的兩大設計思想作了進一步的論證,為計算機的設計樹立了一座里程碑。
設計思想之一是二進位,他根據電子元件雙穩工作的特點,建議在電子計算機中採用二進位。報告提到了二進位的優點,並預言,二進位的採用將大簡化機器的邏輯線路。
實踐證明了諾伊曼預言的正確性。如今,邏輯代數的應用已成為設計電子計算機的重要手段,在EDVAC中採用的主要邏輯線路也一直沿用著,只是對實現邏輯線路的工程方法和邏輯電路的分析方法作了改進。


 

3 馮·諾伊曼 -個人榮譽

馮·諾伊曼和愛因斯坦合照

1903年12月28日生於匈牙利布達佩斯;1957年2月8日卒於美國華盛頓。數學,物理,計算機科學。馮·諾伊曼一生擔任過許多科學職位,獲得了眾多榮譽,最主要的有:1937年獲美國數學會博歇獎;1947年獲美國數學會吉布斯(Gibbs)講師席位,並得到功勛獎章(總統獎);1951-1953年任美國數學會主席;1956年獲愛因斯坦紀念獎及費米獎。
他發表的學術論文共有150餘篇,全部收錄在1961年珀格蒙出版社出版的《馮·諾伊曼文集》。其中60篇是純粹數學方面的,60篇關於應用數學,20篇屬於物理學。馮·諾伊曼以其超人的才思和豐碩的學術成果,成為一代科學巨匠。

 

4 馮·諾伊曼 -個人影響

馮·諾伊曼內存

程序內存是諾伊曼的另一傑作。通過對ENIAC的考察,諾伊曼敏銳地抓住了它的最大弱點--沒有真正的存儲器。ENIAC只在20個暫存器,它的程序是外插型的,指令存儲在計算機的其他電路中。這樣,解題之前,必需先相好所需的全部指令,通過手工把相應的電路聯通。這種準備工作要花幾小時甚至幾天時間,而計算本身只需幾分鐘。計算的高速與程序的手工存在著很大的矛盾。
針對這個問題,諾伊曼提出了程序內存的思想:把運算程序存在機器的存儲器中,程序設計員只需要雲存儲器中尋找運算指令,機器就會自行計算,這樣,就不必每個問題都重新編程,從而大大加快了運算進程。這一思想標誌著自動運算的實現,標誌著電子計算機的成熟,已成為電子計算機設計的基本原則。

5 馮·諾伊曼 -人物評價

馮·諾伊曼馮·諾伊曼的書信

馮·諾伊曼為計算機的發展道路打通了一道道關卡。儘管長期以來,關於二進位的引入和程序內存的發明權一直有爭議,但是,諾伊曼在計算機總體配置和邏輯設計上所做的卓越貢獻掀起了一次計算機熱潮。推動了電子計算機的發展。他無愧於「計算機之父」這一美稱。

1903年12月28日,馮•諾依曼(John Von Neumann 1903-1957)誕生在匈牙利布達佩斯,一個殷實的猶太人家庭里。這個家庭歷史上曾產生過一些著名的數學家和物理學家。他的父親是一個銀行家,很受當地人尊敬,諾依曼是三個兒子中的老大。童年的諾依曼,高高的個子,一雙棕褐色的明亮的大眼睛。他個性活潑,喜歡沉思。據說幼年時的諾依曼記憶力十分驚人,讀書過目成誦。尤其是表現出罕見的數學天才,「數學神童」的名聲一直傳揚在外。神童般的幼年預示著他將來必成大器,歲月果然證實了這點。
3歲,就能記住不少數字。6歲,他就能心算8位數除法。8歲,學會了微積分。他對數學的喜愛到了入迷的地步。據說有一次,他看到母親停下手中的鉤針盯著前方某點沉思,就問:「您在計算什麼?」甚至與小夥伴們一起去玩,往往演變成對數學原理的爭論。11歲上中學后,老師也對他卓越的數學天賦驚嘆不已,向他父親建議,乾脆讓小諾依曼退學回家,聘請大學教授來當家庭教師。17歲時,與老師合作發表了第一篇數學論文。年輕的諾依曼不但聰明過人,還富於幽默感,愛好雙關語和俏皮的打油詩。上大學,父親要他攻讀化學工程,可他已經醉心於數學天地,難以自拔。
第一次世界大戰對諾依曼的衝擊很大。他父親的銀行被沒收了,全家人逃亡威尼斯,這使諾依曼終生成為堅定的反共產主義分子。1921年到1923年期間,諾依曼雖然被布達佩斯大學錄取,卻在柏林大學師從數學家斯米特,也常常去聽愛因斯坦的講座。諾依曼作為全才型的天才,掌握了7種語言,並在最新的數學分支——集合論、泛函分析等理論研究中取得突破性進展。22歲時,諾依曼獲得瑞士蘇黎士聯邦工業大學化學工程學位。1926年,獲得布達佩斯大學數學博士學位。此後,他轉向物理領域,在理論物理領域「風光無限」。風華正茂的諾依曼一下子成為科學殿堂的「文武全才」,在數學、應用數學、物理學、博弈論和數值分析等領域都有不凡的建樹。
年輕的馮•諾依曼由於才華出眾,在學術界越來越引人注目了。他先後遊學著名的柏林大學、漢堡大學,任私人教授。並成為德國大數學家大衛•希爾伯特的得意門生。那時的美國與歐洲相比,科學水平較低,急需引進人才。1930年,美國數學泰斗韋伯倫教授廣羅天下英才,邀請他來普林斯頓大學任教,諾依曼欣然前往,登上一艘小型的丘納德船,橫渡大西洋,應邀到美國普林斯頓大學擔任客座講師。不久,又被轉聘為訪問教授。1933年,普林斯頓成立高級研究院,諾依曼是其中一名最年輕的教授,本世紀最著名的科學家愛因斯坦是他的同事。
傳記神人的神奇之處
由於納粹德國迫害猶太血統的科學家,諾依曼無法再回德國工作,因此在美國終生定居,在1930年加入了美國籍。1938年12月8日,他與克拉瑞•唐結婚,克拉瑞後來成為洛杉磯科學實驗室的一名程序員。諾依曼在普林斯頓大學一直工作到1955年夏,然後去原子能委員會任職。

二戰爆發后,他參與美國一些重大的科研項目,如著名的製造原子彈的「曼哈頓計劃」。 此外,他還是「博弈論」的發展人之一。「博弈論」是為了能在十分複雜的博弈中取勝而制定出戰略的一種數學研究,也可以作為經濟或軍事戰略上的模式。諾依曼曾與經濟學家摩根斯特恩合著過《博弈論與經濟行為》一書,為運籌領域做出不可磨滅的貢獻。

諾依曼擁有罕見的記憶力。對於他曾經讀過的書,他能在10年之後逐一引用原書的段落和文字。40年代,他的同事曾經想考考他的記憶力,問他《雙城記》是如何開頭的,諾依曼不假思索開始背誦,毫不間斷、無比流利地進行到被叫停,一共持續了10分鐘。諾依曼的天才還表現在他極其透徹的分析能力上,在最短的時間內,透過繁複蕪雜的現象,單刀直入,抓住問題的核心和癥結。

有一次,一位優秀數學家通宵達旦,伏案完成了一項數學計算,次日見到諾依曼,提及此事,諾依曼仰視天花板,靜默幾分鐘后,就得出了一模一樣的結論,使所有在場的人大驚失色。諾依曼擅長抓住理論物理中的一些顯然無關的概念,把它們組成優美簡潔的邏輯結構。他還擁有進行各種心算的驚人才能,思維過程極快,幾乎在說話者說出頭幾句話后就能一下子了解對方的最後論點。以至於他的一位同事很感慨地說:「你看!馮的確不是個凡人。但在同人們長期共同生活之後,他也學會了怎樣出色地去模仿世人。」

諾依曼長著橢圓形的面孔,前額高聳,身材矮胖,講一口流利帶有外國口音的英語,語速很快。他衣著講究,經常穿著馬甲,兜里插著手絹,扣上外衣扣子。熱衷於各種小裝置,也愛好複雜的玩具。他是一個工作狂,常常不解決問題決不停手,有時靈感突至,夜裡也會爬起來。諾依曼食量驚人,在洛斯阿拉莫斯時,常常驅車120英里去一家墨西哥餐觀館飽餐一頓。他對工作之外的東西都漫不經心。
有一次,他正在病中的妻子請他倒杯水,諾依曼不得不問杯子放在哪,那時他已經在這個屋子裡住了17年。諾依曼對他的車子也同樣粗心大意,幾乎每年都報廢一輛車子。
改變世界的邂逅
1944年夏天,美國東部的馬里蘭州阿伯丁火車站站台上,諾依曼和一位年輕的軍官不期而遇,後者是美軍軍械部彈道實驗室的赫爾曼•哥爾斯廷上尉,負責美軍槍炮火力表的測試。哥爾斯廷上尉出於對諾依曼的景仰,上前和他攀談。數學大師和後起之秀在阿伯丁站台上的談話非常融洽。當上尉告訴諾依曼,目前他正從事一項科研,研製一台每秒鐘能進行333次乘法運算的電子計算機時,諾依曼頓時萌生興趣,連連追問。剛才輕鬆的交談氣氛一掃而空,哥爾斯廷被問得汗流浹背,用他後來的話說,「簡直像一場數學博士論文的答辯」。不久,也就是1944年8月,心有挂念的諾依曼急匆匆趕往賓夕法尼亞大學的摩爾學院,去看哥爾斯廷上尉所講的那台機器。
30年代,電子學的發展和研製穿孔卡片式統計分析機的經驗,為創立電子計算機提供了主要的技術前提。二次大戰中,賓夕法尼亞大學莫爾學院電子系和阿伯丁彈道研究實驗室共同負責為陸軍每天提供6張火力表。任務艱難而緊迫。因為每張表都要計算幾百條彈道,而一個熟練的計算員計算一條飛行時間60秒的彈道要花20小時。儘管他們改進了微分分析儀,聘用了200多名計算員,一張火力表仍要算兩三個月,問題相當嚴重。
當時,負責該項工作的軍方代表正是年輕的哥爾斯廷,他原是一位數學家。他的朋友莫齊利這時正好在莫爾學院電子系任職。1942年8月,莫齊利寫出《高速電子管計算機裝置的使用》的備忘錄,即ENIAC的初始方案。思想敏捷的哥爾斯廷馬上意識到方案的巨大價值,立即向他的上司彙報,獲得支持,成立了研製小組。
小組的成員是:負責電子計算機總設計方案的是物理學家莫齊利;芬蘭人艾克特擔任總工程師,負責解決製造中一系列困難複雜的工程技術問題;年輕的哥爾斯廷不僅在數學上能提出有用的建議,而且是精幹的科研管理人才;另外還有年輕的邏輯學家勃克斯參加。正當研製工作停滯不前、研製者大傷腦筋時,馮•諾依曼恰逢其時,投身到新型計算機設計的行列中。

艾克特還說:「馮•諾依曼是否真正的天才,從他來以後提的第一個問題就可判斷出來。」這年8月初,馮•諾依曼來到莫爾學院,參觀了尚未竣工的被稱為ENIAC的電子計算機,他第一個問題就問起機器的邏輯結構。艾克特心中暗暗佩服:「不愧是位天才的科學家,一下就點到問題的要害!」這以後,馮•諾依曼就成為莫爾學院的實際顧問。

當時「愛尼亞克」(ENIAC)」已研製到一半,正處於在程序存儲問題上搖擺不定的緊急關頭,天才數學家諾依曼的出現,一下子改變了當時半夢半醒的局面。而對諾依曼來說,這次邂逅也打開了他的心結。原來,二戰爆發后,諾依曼作為美國政府的高級科學顧問,在最高的科學技術決策層中有很強的影響力。在他參與的「曼哈頓計劃」中,原子核裂變的各項數據非常繁雜,如果用人工來計算,即便聰慧如諾依曼,有1000個也不頂事。而那些半自動和電動的計算機器,也快不了多少。他痛感現有的計算工具速度太慢,使一些重大科研項目的進度受到嚴重的影響。因此,他一聽說彈道實驗室有個「PX計劃」,要搞一台每秒能做333次乘法運算的電子計算機時,簡直喜不勝喜。在看過「愛尼亞克」后的9月份,他就成了摩爾學院的常客,與莫齊利和艾克特一同研究的問題。 
奠定馮• 諾依曼結構
「愛尼亞克」出現的程序存儲問題,對於諾依曼來說,真是「天將降大任於斯人也」!他的天才得到淋漓盡致的發揮,明確指出:那種半夢半醒的折衷方案不可取,要做就做到最好,一定要徹底實現程序由外存儲向內存儲的轉化,所有程序指令必須用內在記憶的方式存儲在磁帶上,以電子的速度運行。必須大刀闊斧修改原有設計。諾依曼還是財神爺,經費不夠,他有足夠的影響力去爭取。在諾依曼的影響下,整個研製工作取得了突破性的進展,軍方也信心倍增,一口氣追加了10萬美元的投資。
而諾依曼自己也傾注了大量的心血,拋開美國政府高級科學顧問和著名科學家的身份,和大夥一起,一頭鑽進「愛尼亞克」研製小組,甚至當他因其他要事無法出席時,一定會以信函的方式提出自己的意見。在此,諾依曼提出了一個新的改進方案,一是用二進位代替十進位,進一步提高電子元件的運算速度;二是存儲程序(Stored Program),即把程序放在計算機內部的存儲器中。后一點,解決了當時計算機內外聯繫不便的毛病。
此前,曾有過一用計算機就需要數十名精兵強將手忙腳亂地連接各種導線,否則計算機只能幹瞪眼不幹活。而諾依曼妙手回春,給原本健忘的計算機開了一副靈丹妙藥。他的改進方案稱為「愛達法克」(EDVAC),是「離散變數自動電子計算機」(Electronic Discrete Variable Computer)的簡稱。 
1945年6月,他將自己的思想撰寫成文,題為《關於離散變數自動電子計算機的草案》,長達101頁,提出了在數字計算機內部的存儲器中存放程序的概念(Stored Program Concept)。這是所有現代電子計算機的範式,被稱為「馮•諾依曼結構」,按這一結構建造的電腦稱為存儲程序計算機(Stored Program Computer),又稱為通用計算機。長達101頁的EDVAC方案是計算機發展史上的一個劃時代的文獻,它向世界宣告:電子計算機時代開始了。而為這個方案做出貢獻的天才科學家馮•諾依曼則被人們譽為「電子計算機之父」。
和愛因斯坦等但這篇文章的出現卻使得「愛尼亞克」的研製者——艾克特和莫齊利與諾依曼鬧翻了。原來這篇掀起了世界的計算機熱潮,成為劃時代文獻的報告,只單獨署了諾依曼的大名。諾依曼是半道插進來的,卻把辛辛苦苦做了一大半研製工作的艾克特和莫齊利拋到了腦後。這不能不讓艾克特和莫齊利心存不滿。
再說,諾依曼文章提出的存儲程序,莫齊利和艾克特也早有類似的想法,並在研製中不斷地在摸索,諾依曼只是把它深化、概念化、系統化而已。應該說,艾克特和莫齊利是「愛尼亞克」真正研製者(這一點舉世公認),他倆是第一台電腦的產婦,而諾依曼是第一台電腦的助產士。現在,諾依曼事先不打任何招呼,撇開研製小組的其他所有成員,把研製情況公諸於世,好像是他的獨創一樣。而艾克特和莫齊利由於要遵守美國的有關保密法規,不能發表有關項目的任何內容。諾依曼卻不同,他不能算「愛尼亞克」小組的正式成員,而且身份特殊,算作參與者同時又是不受保密法限制的旁觀者,所以盡可寫文章發表。
造計算機就像母雞下蛋
由於種種原因,諾依曼的設想沒能在「愛尼亞克」上實現,因為那時「愛尼亞克」總體設計和主體建造工程已經完成。直到1952年「愛達法克」(EDVAC)才姍姍來到人間。早在三年前,也即1949年5月6日,第一台存儲程序的「諾依曼機器」由英國劍橋大學的莫里斯•威爾克斯研製成功,名為「愛達賽克」(EDSAC),是英文Electronic Delay Storage Automatic Calculator的簡稱。威爾克斯僅用了一個晚上就將《關於離散變數自動電子計算機的草案》通讀,並做了詳盡的筆記。仿照諾依曼提出的「離散變數自動電子計算器」(EDVAC),威爾克斯把他的設計的機器命名為「機電存儲自動電子計算器」(Electronic Delay Storage Automatic Calculator),簡稱「愛達賽克」(EDSAC),表明他的基本設計思想來自諾依曼。
憑他的天才和敏銳,諾依曼在電腦初創期,高屋建瓴地提出了現代計算機的理論基礎,規範了電腦的發展方向。諾依曼還是一個卓越的科研組織者。當艾克特和莫齊利與摩爾學院分道揚鑣后不久,諾依曼也離開他提出的「愛達法克」(EDVAC)研製小組,回到普林斯頓高等研究院,在那裡研製名為「高等研究院電腦」,又稱「阿艾斯機」(IAS)。當時有人對在20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦所在的聖地,興師動眾斥巨資搞電腦,很不以為然。但諾依曼力排眾議,認為電腦將會把普林斯頓大學的象牙塔推進一個新時代。當他看到高等研究院里才智不凡的青年人陷於繁煩低級的數學運算時,曾痛心疾首地說:「這種浪拋才智的行為簡直形同犯罪。」
在他牽頭下,1946年3月,「阿艾斯機」開始研製,由普林斯頓大學出實驗場地,由美國陸軍軍械部彈道實驗室和國家原子能委員會投資。諾依曼不存芥蒂,力邀艾克特來作技術總負責,但因艾克特已下決心與莫齊利一同創辦公司,未能如願。諾依曼退而求其次,請麻省理工學院的也曾參與過「愛尼亞克」研製的朱利安•比格羅前來主持。此時已脫下軍裝的哥爾斯廷也追隨諾依曼來到普林斯頓大學,做他的副手。
1946年6月,設計方案出來后,諾依曼把副本送給洛斯•阿拉莫斯實驗室、伊利安諾大學、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室和國防部的思想庫蘭德公司等著名的科研機構,為日後給這些機構構造用於科學計算的電腦做準備。經過6年的努力,「阿艾斯機」在1952年6月10日正式建成,它只有2300個電子管,長6英尺、高8英尺、寬2英尺,是同期中外型最小的、而運算能力最強的,在調試階段,做過一次著名的試驗,每日24小時連軸轉不間斷運行60天,對當時氫彈設計中的大量關鍵數據進行處理,為氫彈的研製立下汗馬功勞。
「阿艾斯機」後來又複製十多台供上述多家機構使用,這些機構又在「阿艾斯機」的基礎上,又各自研製新型電腦,如「奧達法克」(ORDVAC)、「伊利亞克」(ILLIAC)、「喬尼亞克」(JOHNNAC)、「曼尼亞克」(MANIAC)和「愛維達克」(AVIDAC)等。其中有一台「阿艾斯機」還漂洋過海,到澳大利亞的悉尼安家落戶,名叫「西利亞克」(SIUIAC)。凝聚著諾依曼心血的「阿艾斯機」簡直就是一隻孵了一窩小雞的母雞。
大師輩出的時代
1951年,IBM開始決定開發商用電腦,聘請諾依曼擔任公司的科學顧問,1952年12月,IBM第一台存儲程序計算機研製完成,也就是通常意義上的電腦,起名IBM 701。此後,IBM公司承建的「諾克」(NORC,美國海軍軍械研究計算機的簡稱)也問世了,諾依曼參加了典禮,並發表講話,他說電腦的設計和建造都要考慮需要、造價和商業利潤諸如此類的事,這些事都是很現實的,在百分之九十九的情況都必須遵循時,還有百分之一的情況,可算作例外。那就是把這些顧慮拋在腦後,用盡全力來研製最高級的電腦,從而臻至一種藝術的狀態。諾依曼提出的「藝術狀態的電腦」一直被理解為不惜一切代價造出來的高級電腦,或許諾依曼也是這個意思。如果他能看到沃茲尼克的「蘋果2型」個人電腦的話,諾伊曼肯定會讚嘆不已,也肯定會和設計者結成忘年交。只可惜,早在1957年,這位天才的數學家就去世了,而那時沃茲尼克剛剛咿咿學語。
諾依曼後來還與經濟學家摩根斯坦(O Morgenstern)合寫過一本名著,《博弈論與經濟行為》。此書與控制論有許多相通之處,很令人佩服。1943年,他們倆發起一次討論會,邀請一些數學家、生理學家、心理學家和工程技術專家等,在普林斯頓大學討論各門學科的交叉性問題。1943年維納和墨西哥生理學家羅森布魯特以及阿伯丁軍械試驗場的工程師別格羅合寫了《行為、目的和目的論》一文,提出了後來成為控制論基本概念的「反饋」(feedback)。在這篇開創性的論文,維納肯定了人類的神經系統的智能活動可以同技術裝置間建立一種模擬關係。
1947年,維納去法國參加一次數學會議,途經英國,拜訪了圖靈,與他討論了控制論的基本思想,還參觀了劍橋大學心理研究所。這次英國之行,使維納強烈意識到控制論的建立已成為一種國際性的聲勢。於是就有了1948年《控制論》和問世。
控制論與電腦之間究竟是一種怎樣的關係?兩者之間不存在什麼誰決定誰的問題。
從1955年開始,諾依曼把精力投入到電腦和人腦的結構對比研究上,心理學和生理學非他所長,因而諾依曼是從邏輯和統計數學的角度切入的。相似方面好說,可以舉出一大摞,但關鍵是相異方面,馮•諾依曼特彆強調:差異不僅存在於大小尺寸、速度等明顯之處,而且更深入、更根本的方面表現在功能和控制的原理、總體的組織原理等等;人腦的「邏輯深度」和「算術深度」要比電腦小得多,但同樣容積的神經元比電子元件能完成更多的運算,同時處理更多的信息,記憶容量也大得驚人,神經元運算的精度低而綜合的可靠性高等。這些觀點諾依曼生前未曾發表,1958年他去世一年後以《電腦和人腦》的名字出版。
人腦與電腦之間
諾依曼沒有參加1956年達特茅思學院那次精英的聚會,但他開創了人工智慧研究中心兩大學派之一數學學派,另一學派是心理學派。前者側重電腦和人腦在解決同一問題時共同的演算法,不太關心哪一個更聰明之類的問題;後者很調強人腦比電腦聰明,主張把人腦解決問題的方法變成電腦的程序即啟髮式程序,依靠它來解決問題,如與維納合作過的羅森布魯特就很典型,他研製過「類人電腦」,這個「類」字很能說明問題。簡單說來,數學學派的觀點可以概括為「人腦類似電腦」,而心理學派則說:「但電腦不是人腦」。
我們知道因為靈魂的關係,教會一直對人機之間關係問題很敏感,否則梅特利不會東躲西逃。後來當圖靈提出「圖靈測試」時,首先就反駁的神學方面的異議,教會人士說上帝只把不朽的靈魂給予人類,而沒有給予別的動物和機器,故而人是萬物之靈長。圖靈說這種觀點不值一駁。當控制論問世時,也是教會人士開始咒罵,說它是「淫蕩的唯物論的產物,它剝奪了上帝賜給的靈魂」。事情在1963年發生變化,英國劍橋大學的有關專家和神學家們合作,通過一台叫「水星」(Mecury)的電腦,通過對某些辭彙和短語出現頻率,對《聖經》風格進行鑒定,結果判定《新約•使徒行傳》中歷來有爭議的15節使徒書,聖保羅只寫了其中的四節。這下在教會中掀起一場空前的風波。
「存儲程序」的概念是諾依曼首先提出來的,這是肯定無疑的。至於最初的創意,當然與圖靈、維納以及負責實際工程製造的莫齊利和艾克特都有關,諾依曼是位謙遜的天才,據跟隨他多年的一位助手富蘭克爾說,諾依曼從未對他提起過「存儲程序是他發明的一句半點的話。實際上,「存儲程序」的概念凝聚了那個時代先驅者們共同的智慧,然後由諾依曼以非凡的洞察力把它表述出來,從而奠定了電腦的整個基礎。儘管到目前為止我們所有的電腦都叫「諾依曼機器」,但從「存儲程序」概念出現的那一天起,人們就在苦苦思考如何超越這一範式了。1947年,圖靈提出自動生成程序,實際上就或多或少體現出這種探索精神。諾依曼晚年致力於人工智慧的研究,也有明顯想自我超越的意向。
自60年代起,人們從兩個大方向開始努力,一是創建新的程序設計語言即所謂的「非諾依曼語言」;二是從電腦元件方面,提出了發明與人腦神經網路相類似的新型超大規模集成電路,即「分子晶元」。前者側重軟體,後者側重硬體。
諾依曼曾精闢指出:人類的語言不是數學的語言。明斯基曾自信地說,只要人類擁有一百億分之一米解析度的大腦掃描儀,就可以一清二楚地了解神經元。但問題時,即使人類知道了每一個神經元,並不意味著對整個大腦透徹的了解。生命是極其複雜的,可不能機械地解釋它。
在諾依曼生命的最後幾年,他一直是核能、核武器和洲際導彈的主要顧問。由於他早年的經歷,他抱定了右翼觀點。1957年的《生活》上刊登了他生前的觀點,該文針對建立對蘇聯的防禦體系,引用了他的話:「如果你問為什麼不在明天轟炸他們,我會說為什麼不在今天;如果你說在5點,我會說為什麼不在1點。」1954年夏天,諾依曼摔壞了右肩,手術時才發現他已患有骨癌。在他治療期間,他還依然參加每周三次的原子能委員會會議,甚至在他臨終前,國防部長,陸、海、空三軍參謀長還聚集在他的病榻前開會。當諾依曼在晚年,有學生問起做事的秘訣時,他只是說:「簡單」(simple),在這種時候,簡單真是一種美。


 

6 馮·諾伊曼 -純粹數學

馮·諾伊曼在純粹數學方面的工作集中於1925年-1940年,主要可分為以下六個方向。
1.集合論與數學基礎
馮.諾伊曼藉助與ZF公理系統中初始截斷的概念和無窮公理,給出了序數及超限序數形式化的新定義,這種定義一直沿用至今。馮·諾伊曼的博士畢業論文「集合論的公理化」。他所建立的公理體系經P.貝爾納斯和K.哥德爾完善之後,形成了公理化集合論中又一新的系統──NBG系統。
2.測度論
測度論在馮·諾伊曼的整個研究工作中並非處於中心地位,但他給出了許多很有價值的方法和結果。
3.遍歷理論
馮·諾伊曼在這一領域的首要成就,是證明了平均遍歷定理。第33卷《數學紀事》刊登的他的頗有影響力的文章「古典力學中的運算元方法」,標誌著對遍歷理論系統研究的開端。
4.群論
馮·諾伊曼的一個著名成果,是在1933年對緊緻集解決了希爾伯特第五問題。1933年,他在《數學紀事》第34卷上發表「拓撲群中解析參數導論」,證明每個局部同胚於歐氏空間的緊緻群的條件下的得到了肯定的回答。
5.運算元理論
對運算元理論的探索貫穿了馮·諾伊曼的整個可科學生涯,這方面的論文占他全部著述的三分之一,他在這個領域有著二十多年的領導地位。馮·諾伊曼的譜理論形成,加上1933年巴拿赫所著《線性運算元理論》一書問世,標誌著數學領域中又一新的分支──泛函分析的誕生。運算元環的正式定義出現在馮·諾伊曼1929年的論文「函數運算代數和正規運算元理論」。這篇論文還包括了「交換子」、「因子」等重要定義,以及二次交換子定理。
格論
正則環是馮·諾伊曼引入的新概念。馮·諾伊曼又發展了一些新的思想方法,其中主要是關於格的分配性:數對的分配性、獨立元的分配性和無窮分配性等。他最早發現,在布爾代數中,交與並的運算必然是無窮分配的,而這種分配性又等價於連續性。他在格論方面的工作主要通過1935年-1937年高級研究院講義《復域幾何》、《連續幾何》及美國科學院會議錄得以保存和傳播。
應用數學
1940年以後,隨著第二次世界大戰中政治、經濟和軍事形勢的發展,馮·諾伊曼開始把精力更多地投注於實際問題之中,主要是計算數學和對策論兩方面的工作。
1.計算數學
馮·諾伊曼從數值穩性分析、誤差估計、矩陣求逆和含間斷性解的計算等數個方向進行了探索。1946年,他和V.巴格曼、D.蒙哥馬利合作,向海軍武器實驗室提交了報告「高階線性系統求解」,對線性方程組的各種解法進行了系統的闡述,並探討了利用計算機進行求解的可能性。1947年,他又同H.哥德斯坦研究了高階矩陣的數值求逆,並給出了嚴格的誤差估計,特別是對150階求逆所能達到的精確程度給出了有意義的結果。在解決可壓縮氣體運動尤其是存在間斷性的情況是,馮·諾伊曼創造了人工粘性法。電子計算機產生之後,馮·諾伊曼又推出了利用計算機進行數值分析的新思想、新方法,從而推動了計算數學的興起與形成,也使他成為現代科學計算的奠基人之一。
2.對策論與數理經濟
馮·諾伊曼是對策論(又稱博奕論〕的創始人和現代數理經濟學的開拓者之一。對策理論作為學科的真正創立,則是從馮·諾伊曼1928年發表「關於夥伴遊戲理論」開始的。1940年,奧地利經濟學家O.摩根斯坦與馮·諾伊曼經過四年合作出版了《對策論與經濟行為》。這部著作對1928年的論文進一步闡述,如增加了「分配」、「控制」的概念,定義了馮·諾伊曼-摩根斯坦解。全書有近三分之二的篇幅是處理合作對策問題的。書中另一重要成果是對策論在經濟理論基本問題中的應用。

 

7 馮·諾伊曼 -去世時間

1957年2月8日,諾依曼與世長辭。 
 

請參考

 
 
 

推薦這個傳奇的數學天才、「電腦之父」、「賽局理論之父」:約翰‧馮紐曼。


《囚犯的兩難》書中(http://www.books.com.tw/exep/prod/booksfile.php?item=0010357986)的主要人物。

 

More about Johm von Neuman


1.
約翰‧馮紐曼(John von Neumann),是出生於匈牙利的美國籍猶太人數學家,現代電子計算機創始人之一。他在計算機科學、經濟、物理學中的量子力學及幾乎所有數學領域都作過重大貢獻。


2. 1903年12月28日-1957年2月8日。


3. 重要的發明或理論(對人類的貢獻)


1932年約翰馮諾伊曼將量子力學的最重要的基礎嚴謹地公式化。按照諾伊曼的一個物理系統有三個主要部分:其狀態、其可觀察量和其動力學(即其發展趨勢),此外物理對稱性也是一個非常重要的特性。馮諾伊曼的量子力學教科書《量子力學的數學基礎》首次以數理分析清晰地提出了波函數的兩類演化過程。


1945年6月,紐曼與戈德斯坦、勃克斯等人,聯名發表了一篇長達101頁紙的報告,即計算機史上著名的「101頁報告」,是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。明確規定用二進制替代十進制運算,並將計算機分成五大組件,這一卓越的思想為電子電腦的邏輯結構設計奠定了基礎,已成為電腦設計的基本原則。1951年,EDVAC計算機宣告完成。由於他在電腦邏輯結構設計上的偉大貢獻,他被譽為「電腦之父」。


在經濟學領域,1944年諾伊曼與奧斯卡摩根斯特恩合著的巨作《賽局理論與經濟行為》出版,標志著現代系統賽局理論的的初步形成。他被稱為「賽局理論之父」。賽局理論被認為是20世紀經濟學最偉大的成果之一。



4 有趣的故事


(摘自《囚犯的兩難》,第35頁。)馮紐曼的某些政治笑話比較高明一點。史特勞斯認為下面這則笑話就是馮紐曼創作的:「一個匈牙利人進入旋轉門前在你身後,但他卻比你先出來。」馮紐曼最喜歡的笑話之一是第一次世界大戰時在柏林創作的:一個人站在街角大喊:「皇帝是個笨蛋!」警察過來要以謀反罪逮捕他。他說:「你不能逮捕我,我說的是奧地利皇帝。」警察說:「你騙不了我們,我們知道誰是笨蛋。」


馮紐曼的惡作劇也是出了名的。佛拉德回憶起有一次愛因斯坦要去紐約,馮紐曼自告奮勇開車送他去普林斯頓火車站,卻故意把他送上一列駛往相反方向的火車。另一次,佛拉德有天早晨看見馮紐曼的眼睛有些紅腫,問他是怎麼回事,他回答得很簡單:「我哭過。」佛拉德說過這則故事以後,有人問他:「你沒有問馮紐曼為什麼哭嗎?」令人難以置信的是,佛拉德竟以為這也是馮紐曼的惡作劇:在自己的眼中故意揉進東西,然後讓別人來問他。


 5 一張科學家發明的東西的插圖


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氫原子的電子雲的機率密度:從上向下為主量子數n(1、2、3),從左向右為方位角量子數l(s、p、d)


圖片來源:http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanics。

       

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