圖靈和馮諾依曼不為人知的故事：原子彈研制，二戰(zhàn)密碼破譯！
時(shí)間：2021-08-19 16:25:07
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[導(dǎo)讀]一、前言圖靈和馮諾依曼都對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)，那么這兩位大神級(jí)的人物，誰(shuí)更配得上計(jì)算機(jī)之父呢？從一口君心理來(lái)講，其實(shí)“計(jì)算機(jī)之父”這種籠統(tǒng)的稱(chēng)謂沒(méi)有明確的結(jié)果，非要叫的話，在一口君心里幾位大神地位如下：巴貝奇CharlesBabbage——通用計(jì)算機(jī)之父圖靈AlanTu...
一、前言
圖靈和馮諾依曼都對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)，那么這兩位大神級(jí)的人物，誰(shuí)更配得上計(jì)算機(jī)之父呢？從一口君心理來(lái)講，其實(shí)“計(jì)算機(jī)之父”這種籠統(tǒng)的稱(chēng)謂沒(méi)有明確的結(jié)果，非要叫的話，在一口君心里幾位大神地位如下：- 巴貝奇Charles Babbage——通用計(jì)算機(jī)之父
- 圖靈Alan Turing——計(jì)算機(jī)科學(xué)之父
- 約翰·阿坦那索夫John Vincent Atanasoff——電子計(jì)算機(jī)之父
- 馮·諾依曼John von Neumann——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父
二、生平簡(jiǎn)介
首先還是讓我們來(lái)看下兩位大神的生平吧！1. 圖靈
艾倫·麥席森·圖靈（英語(yǔ)：Alan Mathison Turing，1912年6月23日—1954年6月7日），英國(guó)數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父。1.1 時(shí)間線
1.2 生平
1912年6月23日，艾倫·麥席森·圖靈生于英國(guó)帕丁頓。家族成員里有三位當(dāng)選過(guò)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，祖父曾獲得劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽(yù)學(xué)位。父親早年就讀于牛津大學(xué)歷史系，后來(lái)在印度公務(wù)署為英帝國(guó)效力。母親曾就讀于巴黎大學(xué)文理學(xué)院。圖靈天資聰穎，3歲時(shí)，圖靈就進(jìn)行了他的首次實(shí)驗(yàn)，把一個(gè)玩具木頭人的小胳膊、小腿掰下來(lái)栽到花園里，等待長(zhǎng)出更多的木頭人。到了8歲，他寫(xiě)了一部科學(xué)著作，題目為《關(guān)于一種顯微鏡》。圖靈曾說(shuō)：“我似乎總想從最普通的東西中弄出些名堂?！彼睦蠋熣J(rèn)為：“圖靈的頭腦思維可以像袋鼠一樣進(jìn)行跳躍?！?/p>圖靈在中學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)了他的同性戀傾向，克里斯托弗是他的初戀，他們一起做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式。1931年，圖靈考入劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院，由于成績(jī)優(yōu)異而獲得數(shù)學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金，他的數(shù)學(xué)能力得到充分的發(fā)展。1935年，他的第一篇數(shù)學(xué)論文“左右殆周期性的等價(jià)”發(fā)表于《倫敦?cái)?shù)學(xué)會(huì)雜志》上。同一年，他還寫(xiě)出“論高斯誤差函數(shù)”一文。這一論文使他由一名大學(xué)生直接當(dāng)選為國(guó)王學(xué)院的研究員，并于次年榮獲英國(guó)著名的史密斯數(shù)學(xué)獎(jiǎng)，成為國(guó)王學(xué)院聲名顯赫的畢業(yè)生之一。1936年5月，圖靈寫(xiě)出了表述他的最重要的數(shù)學(xué)成果的論文“論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用”，該文于1937年在《倫敦?cái)?shù)學(xué)會(huì)文集》第42期上發(fā)表后，立即引起廣泛的注意。文中，他分析了計(jì)算的過(guò)程，給出了理論上可計(jì)算任何“可計(jì)算序列”——某種0和1的序列——的“通用”計(jì)算機(jī)概念，并利用這一概念解決了D.希爾伯特提出的一個(gè)著名的判定問(wèn)題。24歲時(shí)提出了一種抽象的計(jì)算模型——圖靈機(jī)(TuringMachine），用紙帶式機(jī)器來(lái)模擬人們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程。1.3 主要成就
可計(jì)算性理論和圖靈機(jī)
圖靈把可計(jì)算函數(shù)定義為圖靈機(jī)可計(jì)算函數(shù)。1937年，圖靈在他的“可計(jì)算性與λ可定義性”一文中證明了圖靈機(jī)可計(jì)算函數(shù)與λ可定義函數(shù)是等價(jià)的，從而拓廣了丘奇論點(diǎn)，得出：算法(能行)可計(jì)算函數(shù)等同于一般遞歸函數(shù)或λ可定義函數(shù)或圖靈機(jī)可計(jì)算函數(shù)。這就是“丘奇-圖靈論點(diǎn)”，相當(dāng)完善地解決了可計(jì)算函數(shù)的精確定義問(wèn)題，對(duì)數(shù)理邏輯的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。圖靈機(jī)的概念有十分獨(dú)特的意義：如果把圖靈機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)解釋為指令，用字母表的字來(lái)表示，與輸出字輸入字同樣存貯在機(jī)器里，那就成為電子計(jì)算機(jī)了，由此開(kāi)創(chuàng)了“自動(dòng)機(jī)”這一學(xué)科分支，促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的研制工作。與此同時(shí)，圖靈還提出了通用圖靈機(jī)的概念，它相當(dāng)于通用計(jì)算機(jī)的解釋程序，這一點(diǎn)直接促進(jìn)了后來(lái)通用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和研制工作，圖靈自己也參加了這一工作。在給出通用圖靈機(jī)的同時(shí)，圖靈就指出，通用圖靈機(jī)在計(jì)算時(shí)，其“機(jī)械性的復(fù)雜性”是有臨界限度的，超過(guò)這一限度，就要靠增加程序的長(zhǎng)度和存貯量來(lái)解決。這種思想開(kāi)啟了后來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)中計(jì)算復(fù)雜性理論的先河。1937年，圖靈用他的方法解決了著名的希爾伯特判定問(wèn)題：狹謂詞演算(亦稱(chēng)一階邏輯)公式的可滿(mǎn)足性的判定問(wèn)題。他用一階邏輯中的公式對(duì)圖靈機(jī)進(jìn)行編碼，再由圖靈機(jī)停機(jī)問(wèn)題的不可判定性推出一階邏輯的不可判定性。他在此處創(chuàng)用的“編碼法”成為后來(lái)人們證明一階邏輯的公式類(lèi)的不可判定性的主要方法之一。人工智能以及圖靈測(cè)試
圖靈是人工智能研究的先驅(qū)者之一，實(shí)際上，圖靈機(jī)，尤其是通用圖靈機(jī)作為一種非數(shù)值符號(hào)計(jì)算的模型，就蘊(yùn)含了構(gòu)造某種具有一定的智能行為的人工系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)腦力勞動(dòng)部分自動(dòng)化的思想，這正是人工智能的研究目標(biāo)。而且正是從圖靈機(jī)概念出發(fā)，在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)的軍事工作期間，圖靈在業(yè)余時(shí)間里經(jīng)?？紤]并與一些同事探討“思維機(jī)器”的問(wèn)題，并且進(jìn)行了“機(jī)器下象棋”一類(lèi)的初步研究工作。1950年，圖靈發(fā)表了著名的《計(jì)算機(jī)機(jī)械與智能》的論文。這篇文章對(duì)智能給出一個(gè)行為主義的定義，并設(shè)計(jì)了著名的“圖靈測(cè)驗(yàn)”，即一個(gè)人在不接觸對(duì)象的情況下，同對(duì)象進(jìn)行一系列的問(wèn)答(可借助電傳打?qū)憴C(jī))，如果他根據(jù)這些問(wèn)答無(wú)法判斷對(duì)象是人還是計(jì)算機(jī)，那么就可以認(rèn)為這個(gè)計(jì)算機(jī)具有同人相當(dāng)?shù)闹橇Γ瑘D靈還預(yù)言，20世紀(jì)末將會(huì)出現(xiàn)這樣的機(jī)器。1956年圖靈的這篇文章以“機(jī)器能夠思維嗎？”為題重新發(fā)表。此時(shí)，人工智能也進(jìn)入了實(shí)踐研制階段。圖靈的機(jī)器智能思想無(wú)疑是人工智能的直接起源之一。而且隨著人工智能領(lǐng)域的深入研究，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到圖靈思想的深刻性：它們至今仍然是人工智能的主要思想之一。有一部是以人工智能為題材的電影《機(jī)械姬》，強(qiáng)烈建議大家看一下此片。2. 馮諾依曼
馮·諾依曼（John von Neumann，1903~1957），美國(guó)數(shù)學(xué)家，原籍匈牙利。毫無(wú)疑問(wèn)，馮·諾依曼是20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一。他是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)(包括算子理論，測(cè)度論，集合論，代數(shù)幾何，遍歷論等)、量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、博弈論等領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)全才之一，由于他在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，被后人譽(yù)為“計(jì)算機(jī)之父”和“博弈論之父”。2.1 時(shí)間線
2.2 生平
馮·諾依曼出生于奧匈帝國(guó)時(shí)期的布達(dá)佩斯，父親是勤奮機(jī)智的猶太裔銀行家，母親也受過(guò)良好教育。馮·諾依曼名字里的“馮(von)”表示的是他的貴族身份，而這樣的身份是他的父親在1913年獲得的。馮·諾依曼的天才十分驚人，甚至可能超越了“天才”的范疇。他六歲時(shí)就能心算八位數(shù)的除法，八歲時(shí)就通過(guò)自學(xué)熟練地掌握了微積分的相關(guān)知識(shí)，在十歲時(shí)他僅僅花費(fèi)了數(shù)月時(shí)間就讀完了一部四十八卷的世界史著作，并且可以井井有條地討論相關(guān)的軍事理論和政*策略。12歲他就能讀懂并領(lǐng)會(huì)了波萊爾的大作《函數(shù)論》的要義，這樣看來(lái)，還應(yīng)該當(dāng)小學(xué)生的時(shí)候，馮·諾依曼實(shí)際上已經(jīng)具備或者超越了了一名大學(xué)本科生的水平。想想自己12歲的時(shí)候好像還在農(nóng)村撒尿和稀泥玩。從1920年起，馮·諾依曼先后在柏林和蘇黎世學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，物理和化學(xué)，期間又到布達(dá)佩斯大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。不過(guò)他從來(lái)不聽(tīng)課，只是到期末了去參加一下考試，但這并不妨礙他取得相當(dāng)突出的成績(jī)。1921年，馮.諾依曼通過(guò)"成熟"考試時(shí)，已被大家當(dāng)作數(shù)學(xué)家了。他的第一篇論文是和菲克特合寫(xiě)的，那時(shí)他還不到18歲。由于考慮到經(jīng)濟(jì)上原因，請(qǐng)人勸阻年方17的馮.諾依曼不要專(zhuān)攻數(shù)學(xué)，后來(lái)父子倆達(dá)成協(xié)議，馮.諾依曼便去攻讀化學(xué)。1926年，馮·諾依曼在布達(dá)佩斯大學(xué)以題為《一般集合論的公理推導(dǎo)》的學(xué)位論文獲得數(shù)學(xué)博士學(xué)位。從馮·諾依曼的學(xué)習(xí)經(jīng)歷來(lái)看，他的非凡天賦絕非一般人所能及，甚至已經(jīng)遠(yuǎn)超一般的天才，只能用“瞠目結(jié)舌”來(lái)形容。1927年，24歲的馮·諾依曼在柏林大學(xué)哲學(xué)系憑借關(guān)于集合論的就職演講獲得了講師資格，創(chuàng)造了柏林大學(xué)歷史上最年輕講師的記錄。1927～1929年，馮.諾依曼在柏林大學(xué)任兼職講師，期間他發(fā)表了集合論、代數(shù)和。這一時(shí)期馮·諾依曼以算子理論、量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、集合論等方面的研究聞名于世。他通過(guò)研究希爾伯特空間上線性自伴算子的譜理論，為量子力學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；之后他又證明了平均遍歷定理，進(jìn)而開(kāi)拓了遍歷理論的新領(lǐng)域。不久之后，他運(yùn)用緊致群解決了希爾伯特第五問(wèn)題，然后又開(kāi)創(chuàng)了馮·諾依曼代數(shù)這一領(lǐng)域。此外，他還在測(cè)度論、格論和連續(xù)幾何學(xué)方面也有開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。從1930年開(kāi)始，馮·諾依曼應(yīng)邀成為美國(guó)普林斯頓高等研究院的客座教授，但仍然會(huì)在每年夏天返回德國(guó)上課，這一直持續(xù)到了1933年納粹上臺(tái)。馮·諾依曼對(duì)政比較敏感，早年也受到了匈牙利共黨的影響，這些早期影響后來(lái)構(gòu)成了他的自由主義信條。由于自己是猶太人，在德國(guó)已經(jīng)不可能再待下去，最終他選擇移居到了美國(guó)，成為了高等研究院最初的六名終身教授(包括愛(ài)因斯坦等人)之一，時(shí)年僅30歲。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要和自身興趣的轉(zhuǎn)移，馮·諾依曼的研究領(lǐng)域逐漸延伸到了數(shù)學(xué)的應(yīng)用上。實(shí)際上，在來(lái)美國(guó)之前，他已經(jīng)開(kāi)始研究超音速湍流，并于1937年應(yīng)邀進(jìn)入美國(guó)的彈道實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行武器的研發(fā)，后來(lái)他也成為了曼哈頓計(jì)劃的顧問(wèn)之一，為原子彈的誕生添磚加瓦。1937年馮·諾依曼與妻子離婚，1938年又與克拉拉·丹結(jié)婚，并一起回到普林斯頓?？死さるS馮·諾依曼學(xué)數(shù)學(xué)，后來(lái)成為優(yōu)秀的程序編制家。與克拉拉婚后，馮·諾依曼的家仍是科學(xué)家聚會(huì)的場(chǎng)所，還是那樣殷勤好客，在那里人人都會(huì)感到一種聰慧的氣氛。1939年9月，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。1941年底，日本偷襲珍珠港，美國(guó)宣布參戰(zhàn)。這時(shí)的馮·諾依曼是美國(guó)最重量級(jí)的爆炸理論專(zhuān)家，是復(fù)雜爆破（如碰撞爆破）的計(jì)算大師。他被派往盟國(guó)英國(guó)排除水雷。因?yàn)榈聡?guó)人在水雷中設(shè)置了機(jī)關(guān)，每只水雷感應(yīng)爆破的模式不同，無(wú)法破解。而對(duì)于馮·諾依曼來(lái)說(shuō)，這是小菜一碟，他輕松完成了這項(xiàng)任務(wù)。也是在英國(guó)，他見(jiàn)到了圖靈，感到了對(duì)計(jì)算技術(shù)不同尋常的興趣?！練v史性會(huì)晤】直到美國(guó)開(kāi)始“曼哈頓計(jì)劃”，諾依曼被召回。他指導(dǎo)了原子彈最佳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確保能裝進(jìn)一架轟炸機(jī)內(nèi)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，“曼哈頓計(jì)劃”的科學(xué)家們終于找到最佳材料成功制成原子彈。1945年8月6日，鈾彈“小男孩”投放廣島，三天后，钚彈“胖子”投放長(zhǎng)崎，日本宣布投降。關(guān)于核武器紀(jì)錄片，大家可以觀看央視的一檔紀(jì)錄片地址如下：《兵器面面觀》 20190828 人類(lèi)武器競(jìng)賽史——核武器（下）https://tv.cctv.com/2019/08/28/VIDEvARA4MRPLiXaSMey2QOr190828.shtml?spm=C53074552346.PlpOTFgsFbqA.0.0與此同時(shí)，馮·諾依曼也對(duì)經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并于1944年與摩根斯特恩合著了《博弈論與經(jīng)濟(jì)行為》，后被譽(yù)為是博弈論學(xué)科的奠基性著作。當(dāng)時(shí)馮·諾依曼之所以研究出博弈論，據(jù)說(shuō)是因?yàn)楫?dāng)時(shí)大佬經(jīng)常在家里開(kāi)party，玩牌的時(shí)候總是輸，這個(gè)換做其他人估計(jì)也就怪一下運(yùn)氣，但是對(duì)于馮·諾依曼這種天才來(lái)說(shuō)，就不一樣了。因?yàn)樗洃浟@人，可以說(shuō)過(guò)目不忘，但是打牌居然還是輸，于是經(jīng)過(guò)琢磨，發(fā)現(xiàn)出牌需要有很強(qiáng)的策略，于是這么一琢磨，就研究出博弈論。好吧！向大神獻(xiàn)上膝蓋！也是在這個(gè)時(shí)候，馮·諾依曼開(kāi)始關(guān)注計(jì)算機(jī)理論。除了實(shí)際需要外，強(qiáng)大的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)所帶來(lái)的直覺(jué)也是他想發(fā)展計(jì)算機(jī)的動(dòng)力。作為最一流的數(shù)學(xué)家，馮·諾依曼所考慮的更多是計(jì)算機(jī)理論的本質(zhì)，而非它的具體制造。1945年，馮·諾依曼寫(xiě)成了里程碑著作《關(guān)于EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)報(bào)告的初稿》，總結(jié)了早期計(jì)算機(jī)理論的思想，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論提供了邏輯框架。按照如今的觀點(diǎn)，此文就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的“出生證”。在發(fā)展計(jì)算機(jī)理論的過(guò)程中，他還順便發(fā)展了編碼理論，對(duì)數(shù)值計(jì)算也頗有貢獻(xiàn)，因此也被看作計(jì)算數(shù)學(xué)的締造者之一。馮·諾依曼的計(jì)算機(jī)思想實(shí)際上完全超越了計(jì)算機(jī)本身，上升到了關(guān)于人腦和細(xì)胞構(gòu)造這樣的哲學(xué)高度，這些都可以看作如今“人工智能”領(lǐng)域的雛形。在這一思想的指導(dǎo)下，馮·諾依曼又完成了《計(jì)算機(jī)與人腦》和《自我繁殖自動(dòng)機(jī)理論》這樣惠及后世的經(jīng)典著作。
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