天才的多面手——冯·诺依曼
冯·诺依曼从小就表现出数学和记忆力方面的天赋。从童年开始,冯·诺依曼就有一种永远不会忘记任何事情的天赋。六岁时,他能够用希腊语和父亲开玩笑。六岁的时候,他就能在脑子里除八位数,八岁就能掌握微积分。10岁时,他花了几个月的时间阅读了48卷的世界历史,并能把当前的事件与历史上的一个事件进行比较,并讨论他们的军事理论和政治策略。十二岁时,他就理解了玻尔名著《函数论》的精髓。
临近高考,诺依曼的父亲开始担心儿子的职业规划。他咨询了许多朋友,包括一些著名的科学家,最后决定20世纪是化学工程的世纪。诺依曼只对数学感兴趣,但他也知道匈牙利数学家的前途并不好。为了达成双赢的理解,两人经过讨论,决定同时考两个科目。
在随后的四年里,冯·诺依曼注册成为了【布达佩斯大学】的数学系学生,但他没有去上课。他只是每年按时参加考试,考试得了A。与此同时,冯·诺依曼进入柏林大学(1921年),并于1923年在瑞士苏黎世联邦理工学院学习化学。65438年至0926年,在瑞士苏黎世联邦理工学院获得大学化学学位。他还通过每学期结束回到布达佩斯大学并通过课程考试,获得了布达佩斯大学数学博士学位。
在苏黎世期间,冯·诺依曼经常利用业余时间研究数学,写文章,与数学家通信。这一时期,冯·诺依曼受到希尔伯特及其学生施密特和韦尔的影响,开始研究数理逻辑。当时,韦尔和博雅也在苏黎士,他与他们有联系。有一次瓦尔离开苏黎世很短一段时间,冯·诺依曼替他上课。凭借智慧和独特的修养,冯·诺依曼正在茁壮成长。当他结束学生时代时,他已经走在了数学、物理和化学的前沿。
1926年春天,冯·诺依曼作为希尔伯特的助手去了哥廷根大学。1927年至1929年,冯·诺依曼在柏林大学兼职讲师,期间发表了集合论《代数和》。
欧洲二战爆发后,冯·诺依曼超越普林斯顿,参与了许多与反法西斯战争有关的科研项目。从1943成为制造原子弹的顾问,战后仍在许多政府部门和委员会任职。1954年,他成为美国原子能委员会成员。
1955年夏天,他被x光确诊为癌症,但他坚持工作,病情扩大。后来,他被安置在轮椅上,继续思考、讲话和参加会议。长期无情的疾病折磨着他,慢慢让他停止了一切活动。1956年4月进入华盛顿沃尔特里德医院,1957年2月8日在医院去世,享年53岁。
冯·诺依曼理论的要点是:数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按程序顺序执行。人们把这种冯·诺依曼的理论称为冯·诺依曼架构。从ENIAC(ENIAC不是冯诺依曼架构)到目前最先进的计算机,都采用冯诺依曼架构。所以冯·诺依曼是数字计算机之父。
1928年,冯·诺依曼发表了《集合论的公理化》一文,是对上述集合论的公理化处理。系统非常简洁。它使用第一类型对象和第二类型对象来表示朴素集合论中的集合和集合的性质。写系统的公理需要一页多一点,足以建立朴素集合论的全部内容,从而建立整个现代数学。冯·诺依曼的系统也许给出了集合论的第一个基础,并且所使用的有限公理具有像初等几何那样简单的逻辑结构。从公理出发,冯·诺依曼熟练运用代数方法推导集合论中许多重要概念的能力简直令人惊叹,这一切都为他日后对计算机的兴趣和“机械化”证明准备了条件。
20世纪20年代末,冯·诺依曼参与了希尔伯特的元数学项目,发表了几篇论文证明一些算术公理并不矛盾。1927年《论希尔伯特的证明》一文最受关注,其主题是讨论如何使数学摆脱矛盾。文章强调,希尔伯特等人提出并发展的这个问题非常复杂,在当时还没有得到满意的回答。并指出阿克曼消除矛盾的证明在经典分析中是无法实现的。为此,冯·诺依曼对子系统给出了严格的有限性证明。这似乎离希尔伯特寻找的最终答案不远了。恰在此时,1930哥德尔证明了不完全性定理。定理断言:在包含初等算术(或集合论)的不协调形式系统中,系统的不协调性在系统中是不可证明的。至此,冯·诺依曼只能停止这项研究。冯·诺依曼还得到了关于集合论本身的特殊结果。他对数学基础和集合论的兴趣一直持续到他生命的最后。
1930 ~ 1940时期,冯·诺依曼在纯数学方面的成就更加集中,创作更加成熟,声誉也更高。后来,在一份给美国国家科学院的问答表中,冯·诺依曼选择了量子理论的数学基础、算子环理论和态的遍历定理作为他最重要的数学工作。算子环理论始于1930后半段。冯·诺依曼非常熟悉诺特和阿丁的非交换代数,并很快将其应用于希尔伯特空间上有界线性算子构成的代数,后人称之为冯·诺依曼算子代数。
1940是冯·诺依曼科学生涯的转折点。在此之前,他是一个熟悉物理的纯数学家。从此,他成为一名牢牢把握纯数学的高超应用数学家。他开始关注当时把数学应用到物理领域最重要的工具——偏微分方程。同时,他不断创新,将非经典数学应用于两个新领域:博弈论和电子计算机。
冯·诺依曼研究气象学。相当一段时间以来,他一直被地球大气运动的流体动力学方程所提出的极其困难的问题所吸引。随着电子计算机的出现,对这一问题进行数值研究和分析成为可能。冯·诺依曼进行的第一次高尺度计算涉及一个二维模型,该模型与地转近似有关。他认为,人们最终可以理解、计算和控制气候变化。
冯·诺依曼还提出了聚变引爆核燃料的建议,并支持氢弹的研制。1947年,陆军发布了嘉奖令,称赞他是一名物理学家、工程师、武器设计师和爱国者。
冯·诺依曼不仅在武器研究方面发挥了他的才能,在社会研究方面也是如此。1928年,冯·诺依曼证明了博弈论的基本原理,从而宣告了博弈论的正式诞生。他创造的博弈论无疑是他在应用数学领域取得的最令人羡慕的杰出成就。现在的博弈论主要是指用具体的数学方法来研究社会现象。其基本思想是分析多个主体的利益。1944年,冯·诺依曼和摩根·斯特恩合著的《博弈论与经济行为》是该领域的基础性著作。将二人博弈扩展到n人博弈结构,并将博弈论体系应用于经济领域,从而奠定了本学科的基础和理论体系。论文包括对策论的纯数学形式的阐述和实际应用的详细说明。这篇论文和对一些经济理论基本问题的讨论,引发了对经济行为和一些社会学问题的各种研究。今天,这是一门应用广泛、性质日益丰富的数学学科。一些科学家热情地称赞它是“20世纪上半叶最伟大的科学贡献之一”。
促成冯·诺依曼受欢迎的最后一门学科是电子计算机和自动化理论。
计算机工程的发展也应该在很大程度上归功于冯·诺依曼。现代计算机中计算机的逻辑图式、存储、速度、基本指令的选择以及电路间交互的设计都深受冯·诺依曼思想的影响。他不仅参与了电子管元件ENIAC计算机的研制,还亲自监督了普林斯顿高等研究院计算机的建造。
在冯·诺依曼生命的最后几年,他的思想仍然非常活跃。他整合了逻辑研究的成果和他早年在计算机上的工作,把视野扩展到了一般自动机理论。他以自己独特的勇气,攻克了最复杂的难题:如何利用不可靠的组件设计出可靠的自动机,并建造出自己可以复制的自动机。由此,他认识到了计算机与人脑机制的一些相似之处,这一研究在希勒曼的演讲中得到了体现;直到他去世后,才有人以《计算机与人脑》为名出版了单行本。虽然这是一部未完成的作品,但他对人脑和计算机系统进行精确分析对比后得出的一些定量结果,仍然具有重要的学术价值。