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計算機的發(fā)展做出了杰出的貢獻,那么這兩位大神級的人物,誰更配得上計算機之父呢?從一口君心理來講,其實“計算機之父”這種籠統(tǒng)的稱謂沒有明確的結(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——通用計算機之父圖靈AlanTu...
一、前言
圖靈和馮諾依曼都對計算機的發(fā)展做出了杰出的貢獻,那么這兩位大神級的人物,誰更配得上計算機之父呢?從一口君心理來講,其實“計算機之父”這種籠統(tǒng)的稱謂沒有明確的結(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——通用計算機之父
- 圖靈Alan Turing——計算機科學(xué)之父
- 約翰·阿坦那索夫John Vincent Atanasoff——電子計算機之父
- 馮·諾依曼John von Neumann——現(xiàn)代計算機之父
二、生平簡介
首先還是讓我們來看下兩位大神的生平吧!1. 圖靈
艾倫·麥席森·圖靈(英語:Alan Mathison Turing,1912年6月23日—1954年6月7日),英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家,被稱為計算機科學(xué)之父、人工智能之父。1.1 時間線
1.2 生平
1912年6月23日,艾倫·麥席森·圖靈生于英國帕丁頓。家族成員里有三位當選過英國皇家學(xué)會會員,祖父曾獲得劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽學(xué)位。父親早年就讀于牛津大學(xué)歷史系,后來在印度公務(wù)署為英帝國效力。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,圖靈就進行了他的首次實驗,把一個玩具木頭人的小胳膊、小腿掰下來栽到花園里,等待長出更多的木頭人。到了8歲,他寫了一部科學(xué)著作,題目為《關(guān)于一種顯微鏡》。圖靈曾說:“我似乎總想從最普通的東西中弄出些名堂?!彼睦蠋熣J為:“圖靈的頭腦思維可以像袋鼠一樣進行跳躍?!?/p>圖靈在中學(xué)時發(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)實驗,學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式。1931年,圖靈考入劍橋大學(xué)國王學(xué)院,由于成績優(yōu)異而獲得數(shù)學(xué)獎學(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”發(fā)表于《倫敦數(shù)學(xué)會雜志》上。同一年,他還寫出“論高斯誤差函數(shù)”一文。這一論文使他由一名大學(xué)生直接當選為國王學(xué)院的研究員,并于次年榮獲英國著名的史密斯數(shù)學(xué)獎,成為國王學(xué)院聲名顯赫的畢業(yè)生之一。1936年5月,圖靈寫出了表述他的最重要的數(shù)學(xué)成果的論文“論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用”,該文于1937年在《倫敦數(shù)學(xué)會文集》第42期上發(fā)表后,立即引起廣泛的注意。文中,他分析了計算的過程,給出了理論上可計算任何“可計算序列”——某種0和1的序列——的“通用”計算機概念,并利用這一概念解決了D.希爾伯特提出的一個著名的判定問題。24歲時提出了一種抽象的計算模型——圖靈機(TuringMachine),用紙帶式機器來模擬人們進行數(shù)學(xué)運算的過程。1.3 主要成就
可計算性理論和圖靈機
圖靈把可計算函數(shù)定義為圖靈機可計算函數(shù)。1937年,圖靈在他的“可計算性與λ可定義性”一文中證明了圖靈機可計算函數(shù)與λ可定義函數(shù)是等價的,從而拓廣了丘奇論點,得出:算法(能行)可計算函數(shù)等同于一般遞歸函數(shù)或λ可定義函數(shù)或圖靈機可計算函數(shù)。這就是“丘奇-圖靈論點”,相當完善地解決了可計算函數(shù)的精確定義問題,對數(shù)理邏輯的發(fā)展起了巨大的推動作用。圖靈機的概念有十分獨特的意義:如果把圖靈機的內(nèi)部狀態(tài)解釋為指令,用字母表的字來表示,與輸出字輸入字同樣存貯在機器里,那就成為電子計算機了,由此開創(chuàng)了“自動機”這一學(xué)科分支,促進了電子計算機的研制工作。與此同時,圖靈還提出了通用圖靈機的概念,它相當于通用計算機的解釋程序,這一點直接促進了后來通用計算機的設(shè)計和研制工作,圖靈自己也參加了這一工作。在給出通用圖靈機的同時,圖靈就指出,通用圖靈機在計算時,其“機械性的復(fù)雜性”是有臨界限度的,超過這一限度,就要靠增加程序的長度和存貯量來解決。這種思想開啟了后來計算機科學(xué)中計算復(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題:狹謂詞演算(亦稱一階邏輯)公式的可滿足性的判定問題。他用一階邏輯中的公式對圖靈機進行編碼,再由圖靈機停機問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”成為后來人們證明一階邏輯的公式類的不可判定性的主要方法之一。人工智能以及圖靈測試
圖靈是人工智能研究的先驅(qū)者之一,實際上,圖靈機,尤其是通用圖靈機作為一種非數(shù)值符號計算的模型,就蘊含了構(gòu)造某種具有一定的智能行為的人工系統(tǒng)以實現(xiàn)腦力勞動部分自動化的思想,這正是人工智能的研究目標。而且正是從圖靈機概念出發(fā),在第二次世界大戰(zhàn)時的軍事工作期間,圖靈在業(yè)余時間里經(jīng)??紤]并與一些同事探討“思維機器”的問題,并且進行了“機器下象棋”一類的初步研究工作。1950年,圖靈發(fā)表了著名的《計算機機械與智能》的論文。這篇文章對智能給出一個行為主義的定義,并設(shè)計了著名的“圖靈測驗”,即一個人在不接觸對象的情況下,同對象進行一系列的問答(可借助電傳打?qū)憴C),如果他根據(jù)這些問答無法判斷對象是人還是計算機,那么就可以認為這個計算機具有同人相當?shù)闹橇Γ瑘D靈還預(yù)言,20世紀末將會出現(xiàn)這樣的機器。1956年圖靈的這篇文章以“機器能夠思維嗎?”為題重新發(fā)表。此時,人工智能也進入了實踐研制階段。圖靈的機器智能思想無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,人們越來越認識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《機械姬》,強烈建議大家看一下此片。2. 馮諾依曼
馮·諾依曼(John von Neumann,1903~1957),美國數(shù)學(xué)家,原籍匈牙利。毫無疑問,馮·諾依曼是20世紀最重要的數(shù)學(xué)家之一。他是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)(包括算子理論,測度論,集合論,代數(shù)幾何,遍歷論等)、量子力學(xué)、計算機科學(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)的開創(chuàng)性貢獻,被后人譽為“計算機之父”和“博弈論之父”。2.1 時間線
2.2 生平
馮·諾依曼出生于奧匈帝國時期的布達佩斯,父親是勤奮機智的猶太裔銀行家,母親也受過良好教育。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。他六歲時就能心算八位數(shù)的除法,八歲時就通過自學(xué)熟練地掌握了微積分的相關(guān)知識,在十歲時他僅僅花費了數(shù)月時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)會了波萊爾的大作《函數(shù)論》的要義,這樣看來,還應(yīng)該當小學(xué)生的時候,馮·諾依曼實際上已經(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),期間又到布達佩斯大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。不過他從來不聽課,只是到期末了去參加一下考試,但這并不妨礙他取得相當突出的成績。1921年,馮.諾依曼通過"成熟"考試時,已被大家當作數(shù)學(xué)家了。他的第一篇論文是和菲克特合寫的,那時他還不到18歲。由于考慮到經(jīng)濟上原因,請人勸阻年方17的馮.諾依曼不要專攻數(shù)學(xué),后來父子倆達成協(xié)議,馮.諾依曼便去攻讀化學(xué)。1926年,馮·諾依曼在布達佩斯大學(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)歷來看,他的非凡天賦絕非一般人所能及,甚至已經(jīng)遠超一般的天才,只能用“瞠目結(jié)舌”來形容。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)打下了堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);之后他又證明了平均遍歷定理,進而開拓了遍歷理論的新領(lǐng)域。不久之后,他運用緊致群解決了希爾伯特第五問題,然后又開創(chuàng)了馮·諾依曼代數(shù)這一領(lǐng)域。此外,他還在測度論、格論和連續(xù)幾何學(xué)方面也有開創(chuàng)性的貢獻。從1930年開始,馮·諾依曼應(yīng)邀成為美國普林斯頓高等研究院的客座教授,但仍然會在每年夏天返回德國上課,這一直持續(xù)到了1933年納粹上臺。馮·諾依曼對政比較敏感,早年也受到了匈牙利共黨的影響,這些早期影響后來構(gòu)成了他的自由主義信條。由于自己是猶太人,在德國已經(jīng)不可能再待下去,最終他選擇移居到了美國,成為了高等研究院最初的六名終身教授(包括愛因斯坦等人)之一,時年僅30歲。由于戰(zhàn)爭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。實際上,在來美國之前,他已經(jīng)開始研究超音速湍流,并于1937年應(yīng)邀進入美國的彈道實驗室進行武器的研發(fā),后來他也成為了曼哈頓計劃的顧問之一,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)家聚會的場所,還是那樣殷勤好客,在那里人人都會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,美國宣布參戰(zhàn)。這時的馮·諾依曼是美國最重量級的爆炸理論專家,是復(fù)雜爆破(如碰撞爆破)的計算大師。他被派往盟國英國排除水雷。因為德國人在水雷中設(shè)置了機關(guān),每只水雷感應(yīng)爆破的模式不同,無法破解。而對于馮·諾依曼來說,這是小菜一碟,他輕松完成了這項任務(wù)。也是在英國,他見到了圖靈,感到了對計算技術(shù)不同尋常的興趣。【歷史性會晤】直到美國開始“曼哈頓計劃”,諾依曼被召回。他指導(dǎo)了原子彈最佳結(jié)構(gòu)的設(shè)計,確保能裝進一架轟炸機內(nèi)。經(jīng)過一段時間的努力,“曼哈頓計劃”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”投放長崎,日本宣布投降。關(guān)于核武器紀錄片,大家可以觀看央視的一檔紀錄片地址如下:《兵器面面觀》 20190828 人類武器競賽史——核武器(下)https://tv.cctv.com/2019/08/28/VIDEvARA4MRPLiXaSMey2QOr190828.shtml?spm=C53074552346.PlpOTFgsFbqA.0.0與此同時,馮·諾依曼也對經(jīng)濟學(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)濟行為》,后被譽為是博弈論學(xué)科的奠基性著作。當時馮·諾依曼之所以研究出博弈論,據(jù)說是因為當時大佬經(jīng)常在家里開party,玩牌的時候總是輸,這個換做其他人估計也就怪一下運氣,但是對于馮·諾依曼這種天才來說,就不一樣了。因為他記憶力驚人,可以說過目不忘,但是打牌居然還是輸,于是經(jīng)過琢磨,發(fā)現(xiàn)出牌需要有很強的策略,于是這么一琢磨,就研究出博弈論。好吧!向大神獻上膝蓋!也是在這個時候,馮·諾依曼開始關(guān)注計算機理論。除了實際需要外,強大的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)所帶來的直覺也是他想發(fā)展計算機的動力。作為最一流的數(shù)學(xué)家,馮·諾依曼所考慮的更多是計算機理論的本質(zhì),而非它的具體制造。1945年,馮·諾依曼寫成了里程碑著作《關(guān)于EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)報告的初稿》,總結(jié)了早期計算機理論的思想,為現(xiàn)代計算機理論提供了邏輯框架。按照如今的觀點,此文就是現(xiàn)代計算機的“出生證”。在發(fā)展計算機理論的過程中,他還順便發(fā)展了編碼理論,對數(shù)值計算也頗有貢獻,因此也被看作計算數(shù)學(xué)的締造者之一。馮·諾依曼的計算機思想實際上完全超越了計算機本身,上升到了關(guān)于人腦和細胞構(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《計算機與人腦》和《自我繁殖自動機理論》這樣惠及后世的經(jīng)典著作。