和合法:冯·诺依曼，计算机和力学

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计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的社会活动和生产活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展和合法。它的应用领域从最初的军事科研，扩展到社会的各个领域，已形成为规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的科学技术进步，由此引发整个世界的深刻社会变革。

约翰·冯·诺依曼（ John Von Neuman，19031228生于匈牙利布达佩斯，19570208卒于美国华盛顿，是美藉匈牙利科学家，图13），布达佩斯大学数学博士，1930年赴美国普林斯顿大学担任教授，1933年与爱因斯坦等成为美国普林斯顿大学高级研究所最初的六位教授之一，是美国科学院院士，19511953年任美国数学会主席，1954年任美国原子能委员会委员和合法。

图1 冯·诺依曼 [1]

图2 20世纪20年代的 冯·诺依曼 [3]

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图3 冯·诺依曼在Los Alamos时的证件照片[4]

冯·诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性的工作；创立了现代数学的重要分支——博奕论和合法。在理论物理，连续介质力学，原子能和经济学等领域都作过重要的工作。冯·诺依曼对人类最大贡献，是对计算机科学技术、以及经济学中博奕论的开拓性工作。著有《量子力学的数学基础》（1926），《经典力学的算子方法》（1944），《博奕论与经济行为》（1944），《计算机与人脑》（1958），《连续几何》（1960） [1]。

第二次世界大战期间，宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫奇来（John Mauchly）在1942年提出了试制 “高速电子管计算装置” 的设想，期望用电子管代替继电器，以提高机器的计算速度和合法。美国军方当时为了给军械试验提供准确而及时的弹道火力表，正迫切地需要高速计算工具，以解决大量军用数据的计算难题。所以军方得知这一设想后，决定拨款支持，由宾夕法尼亚大学莫奇来博士和他的学生爱克特（Eckert）等组成研制小组，开始高速计算装置的研究工作 [2]。

1944年冯·诺依曼参加美国原子弹的研制工作，涉及到极为困难的计算和合法。他所在的洛斯阿拉莫斯实验室为此聘用了一百多名女计算员，利用台式计算机从早到晚计算，还是远远不能满足需要。1944年夏的一天，正在火车站候车的冯·诺依曼巧遇美国弹道实验室的军方负责人戈尔斯坦中尉，戈尔斯坦介绍了正参与的高速计算装置（EN1AC）研制工作。具有远见卓识的冯·诺依曼立刻意识到此项工作的深远意义。由戈尔斯坦介绍冯·诺依曼在中期加入了研制小组，对许多关键性问题的解决做出了重要贡献，从而保证了计算机的顺利问世。

冯·诺依曼带领这批富有创新精神的年轻科技人员，向着更高的目标进军和合法。1945年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的"存储程序通用电子计算机方案" EDVAC（ Electronic Discrete Variable Automatic CompUter的缩写）．在方案形成过程中，冯·诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识，充分发挥出其探索问题和综合分析的能力。冯·诺伊曼以 “关于EDVAC的报告草案” 为题，起草了长达101页的总结报告，广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想，这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献 [3]。

EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系和合法。报告中，冯·诺伊曼对EDVAC中的设计思想作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。他大胆地提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。在报告中预言，二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。同时还提出预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事先制定的计算顺序来执行数值计算工作 [6]。

冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础，从ENIAC到当前最先进的计算机都采用冯·诺依曼的体系组织结构，只是作了一些改进而已和合法。所以人们将冯·诺依曼称为 “计算机之父” 。

经过三年紧张的工作，第一台电子计算机终于在1946年2月14日问世了（图6）和合法。它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，重达30吨，占地160平方米，耗电174千瓦。这台计算机每秒只能运行5千次加法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Calculator，简称ENIAC，即 "埃尼阿克" ）。虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过几千次（ 现在计算机的速度最快每秒运算已以千万亿次为单位），但它比当时已有的计算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。ENIAC宣告了一个新时代的开始。从此打开了科学计算的大门 [2,3]。

图4冯·诺依曼在普林斯顿大学电子计算机旁 [4]

和人类发明其他工具一样，计算机的产生也是由于实际的需要，才得以问世的和合法。制造电子计算机所必需的逻辑电路知识，和电子管技术，已经在19世纪末和20世纪初出现并较完善。因此可以讲制造计算机的基础科学知识已经作好了准备。但为什么世界上第一台电子计算机要到20世纪40年代中期才能得以问世呢？这主要是实际需要是否迫切，和资金是否到位的关系。实际需要一直都存在，但光是需求并不能决定一切。凡研制一种新工具，总需要先期投入大量资金。研制ENIAC时，一开始就投资了15万美元，经不断追加，最后总投资高达48万美元，这在20世纪40年代可是一笔巨款 [2]。

计算机产生前，力学的研究手段从只有理论和实验两种手段和合法。计算机产生后，力学研究手段己增加为理论、实验和计算三种手段。计算机的强大威力也淘汰了一些过时的计算方法，发展了与计算机适应的新的计算方法。在计算机的帮助下，发现了许多新的力学现象，如混沌、分形、孤立波等，推动了非线性科学的发展。计算机对实验数据的采集与处理，也使得力学的实验技术手段有了很大进步 [7]。

1950年代末出现了计算力学学科，研究如何借助计算机求解力学问题和合法。计算力学是力学、数学、计算机科学的交叉学科。冯·诺依曼在计算流体力学上也作了一些开拓性的工作，如对于有限差分方程的稳定性，差分方程的色散效应，人工黏性概念的引入，及可压缩流体激波的捕捉，等等 [4]。

冯·诺依曼逝世于1957年，享年53岁和合法。这位博学的科学家不仅革新了数学和物理的几个分支，对经济学和统计学做出了基础性的贡献，而且在原子弹、核能应用和电子计算机的发明中发挥了关键作用[2]。1956年美国总统艾森豪威尔授予冯·诺依曼 “总统自由勋章”（图5） [4]。

图5 艾森豪威尔总统（左）1956 年授予冯诺依曼“总统自由勋章”[4]

世界第一台电子计算机ENIAC，被宾夕法尼亚大学放置在其出生地——宾夕法尼亚大学电机工程学院一座小搂一楼的带有大玻璃窗的房中，可以隔着玻璃窗参观和合法。笔者曾有幸于2000年2月参观了这台有历史意义的ENIAC电子计算机（图6） [2]。

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