纪念 | 冯·诺依曼逝世60周年
编者按：1957年2月8日，约翰·冯·诺依曼在华盛顿去世，享年54岁。冯·诺依曼在计算机科学、经济学、量子力学等多个领域都作过重大贡献，其最家喻户晓的称号就是“计算机之父”。1945 年 6 月，冯·诺伊曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了计算机史上著名的“101 页报告”，该报告是现代计算机科学发展里程碑式的文献。报告中明确规定用二进制替代十进制运算，并将计算机分成五大组件：运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备。至今的电子设备都没有脱离这种计算器系统体系的框架。在此，我们再次向这位 IT 先驱表达敬意与感激之情。
江山代有人才出，各领风骚数百年。如果让全世界的数学家投票：从上个世纪到如今，谁是最伟大的数学家？ 绝大多数人会毫不犹豫地把票投给冯·诺伊曼。他不仅是位杰出的数学家，而且还是“计算机科学”、“数理经济学”的奠基人。这位学识渊博的绝顶天才去世时还不到54岁，可谓英年早逝，应了一句话：天才是从两头点燃的蜡烛，明亮，但不长久。
一部电视连续剧《暗算》又把上个世纪的大数学家 冯·诺伊曼拉回到观众的视野，引发了人们对这位学者的好奇与关注。电视连续剧的威力如此之大，以它独特的方式让更多的中国人，听到了这个世界上最响亮的数学家的名字。
布达佩斯的神童，普林斯顿最年轻的教授
1903年12月3日，约翰·冯·诺伊曼出生于匈牙利布达佩斯一个传统保守的犹太家庭。父亲是位非常成功的银行家，为了挤入上层社会，花钱买了个爵位，于是他们的姓氏“诺伊曼”前面加上了个“冯”字，那是对贵族的尊称。
冯·诺伊曼是家中三个儿子中的老大，在很小的时候就展现出他那与众不同的大脑，那无与伦比的记忆力。在他还是个孩子的时候，只需要慢慢地看上一遍，他就能把电话簿上整页的姓名和电话号码记住，过目不忘，像照相机似的。冯·诺伊曼把这当成一项游戏，一直到他成年，还不断地把他的这种本事给朋友们“表演”。如此超常的记忆力，使他兴趣极其广泛，除了科学之外，他还喜欢历史与哲学，只要他读过的东西，都记得清清楚楚。冯·诺伊曼的渊博是有名的，宛如百科全书。难怪有历史学家说：历史学也有许多未解之谜，并不比数学少。如果冯·诺伊曼当初选择历史学而不是数学，世界历史学家们的日子可能会好过得多！
童年的冯·诺伊曼最喜欢的学科无疑是数学。6岁时他就能凭心算做8位数的乘、除法，这么大的数目即便用笔算,今天的中、小学生怕也视为畏途；8岁时他自己学会了“微积分”，那可是今天理工科大学生的重头基础课；12岁弄懂了《函数论》，一门数学系三年级的课程；18岁发表了第一篇数学论文，他开始有所创造，崭露头角。
18岁那年，冯·诺伊曼考进了布达佩斯大学学习数学。但父亲希望他学习化学，认为那将来能赚钱，犹太人的选择非常务实。尽管酷爱数学，冯·诺伊曼不愿意违拗父亲，又考进了瑞士苏黎世的联邦工业大学攻读化学专业。23岁那年，冯·诺伊曼不仅在苏黎世获得化学学士学位，同年他也获得了布达佩斯大学的数学博士学位。其实他并没有在布达佩斯大学上课听讲，只是在每个学期期末赶回学校，通过了所有课程的考试而已。之后，冯·诺伊曼到德国哥廷根大学给大数学家希尔伯特当助手，以后又在汉堡大学和柏林大学任兼职讲师。
上个世纪20年代中期，欧洲的许多大数学家开始关注“数学基础”的研究，“公理化”成为数学研究中最引人注目的进展。德国大数学家希尔伯特带领着欧洲的数学家们取得了一个又一个的辉煌成就。二十来岁的冯·诺伊曼很快就领悟了希尔伯特的思想，继而把它发挥得淋漓尽致。他迅速超越同侪，把“数学基础”的研究推向新的高峰，一鸣惊人，发表了关于“集合论”的划时代的研究论文。这位年方弱冠的数学奇才的出现引起了世界轰动。
冯·诺伊曼在他30岁以前，就展现了非凡的才华，成就卓著，发表了有关“集合论”、“代数”和“量子理论”很有分量的研究论文，成为当时最年轻的著名数学家。
冯·诺伊曼与众不同之处在于，他喜欢并且习惯于同时展开几个完全不同领域的研究工作。正当他在“数学基础”方面的研究得心应手之时，又注意到理论物理学泰斗海森堡的“量子力学”，那是当时物理学中最热门的方向。冯·诺伊曼很快弄明白了“量子力学”是怎么一回事，然后把数学“公理化”的想法与“量子力学”结合起来，诞生了他独特的“公理化量子力学”。他的贡献远远超越了学科本身，不仅为物理学提供了新的计算模型，也赋予纯粹数学的发展以强大动力。后来称之为“冯·诺伊曼代数”的算子理论就发源于此。
1930年，冯·诺伊曼来到美国，成为普林斯顿大学的客座讲师。这年他结了婚，娶的是笃信天主教的玛丽艾特。为此冯·诺伊曼表示放弃家传的犹太教，改奉天主教。冯·诺伊曼对宗教并不特别认真。
三年后，恰逢普林斯顿高等研究院成立，冯·诺伊曼应聘担任了研究院的教授。当时那个研究院仅聘有六名教授，其中就包括创建相对论的大物理学家爱因斯坦，前辈天才大数学家外尔等。冯·诺伊曼那年30岁，而立之年，是普林斯顿最年轻的教授。普林斯顿高等研究院因这些天才们的聚集而飞速发展，其研究水平之高，令世人瞩目。普林斯顿很快就成为世界数学的中心，是全世界数学家们的向往之地，著名的华裔数学家陈省身、樊畿与华罗庚都先后在这所研究院工作过。
樊畿教授这样描述：听冯·诺伊曼讲演必须有足够聪明，极度专心，否则绝对跟不上他。每次演讲，只有极少数的数学家能够勉强听得懂，奉陪到底。演讲的时候，冯·诺伊曼的思维敏捷，内容充实丰富，边讲边写，板书飞快，一会儿功夫就写满了整块的黑板，只好擦去旧的，再写新的。当要回过头来引用前面结果的时候，他会不断地指着黑板的某个位置说：根据擦过三次之前，写在这个位置的一个式子，再加上擦过六次之前，写在那个地方的一条定理，就可以得到以下结论。听惯了他演讲的数学家们笑称：冯·诺伊曼是“用板擦来证明定理的人”。因为他经常是根据早已擦掉的步骤，进行推理证明。
打不赢扑克牌，却开创了“博弈论”
事业有成，婚姻却不成功。冯·诺伊曼时常过分地专注令他发生兴趣的问题，冷落了妻子。玛丽艾特时有抱怨，两人渐行渐远。1935年，冯·诺伊曼夫妇有了第一个孩子，是个女儿，取名玛丽安娜。然而，女儿的降生也未能挽救他们的婚姻，两年之后，玛丽艾特离开了冯·诺伊曼。单身独居的冯·诺伊曼开始约会有夫之妇克莱拉·丹，她是诺伊曼的“发小”，两人青梅竹马，情投意合。克莱拉很快决定改嫁冯·诺依曼。她不仅是个“贤内助”，后来还成了冯·诺伊曼在研制计算机和发展计算机科学方面的助手。
冯·诺伊曼夫妇热情好客，一到周末家里必定宾朋满座。他家几乎每个星期都开“派对”，招待同事和朋友。冯·诺伊曼永远是沙龙的中心，他记性好、笑话多，他用讲笑话的办法活跃气氛，还喜欢戴上一顶小丑的滑稽帽子穿梭在人群中间，引逗客人们放松畅谈。他仍然时不时地“卖弄”他那超人的记忆力，当众表演他那速记电话簿的本事。
冯·诺伊曼在扑克牌游戏中获得灵感、产生深刻的思考， 成为“博弈论” 或者称 “对策论”的奠基人。他并不经常玩扑克牌，打牌时也不很走运，经常是输家。这位天才的数学家猛然醒悟：扑克牌游戏里面不仅仅是数学“概率论”的问题，他之所以输牌就是由于他总是仅靠运用“概率论”来指挥自己出牌。其实，取胜之道在于运用策略：一方面要迷惑对方，另一方面要隐藏好自己的意图信息，需要虚张声势。冯·诺伊曼开始研究“取胜的策略”，一个重要的数学分支“博弈论” 就这样诞生了。
冯·诺伊曼才华横溢，总是开创新的学科，不论做纯粹数学的研究，还是研究应用数学，其贡献都是奠基性的。冯·诺伊曼的天才还在于他的开创性研究工作具有广泛的应用性，加之他本身学问渊博，能跨学科地与人合作，游刃有余。在他建立起完整的“博弈论”理论的同时，就意识到他的数学研究工作将对“经济学”产生影响，可以应用“博弈论”指导经济策略。他找来当时在普林斯顿工作的奥地利经济学家莫根斯坦因，共同研究“博弈论”在经济领域中的应用。后来两人合作撰写了一本书《博弈论与经济行为，经济学领域的革命》，成为“博弈论”的经典著作，也成为“数理经济学”的奠基石。虽然这本书讲的仅仅是“经济学”，可其影响却波及到了“心理学”、“社会学”、“政治学”和“战争军事学”等等学科，奠定了“博弈论”在这些领域中极其重要的地位。
冯·诺伊曼开创的都是具有强大生命力的科学理论，一经问世，就立即获得广泛应用，获得来自许多科学领域的科学家的响应。他写书绝非一般书生的著书立说。
冯·诺依曼最得意的，是他的数学理论能在“政治学”和“战争军事学”中获得应用。哈尔默斯对我说：这也许来自于这位天才未泯的童心。冯·诺依曼小时候最喜爱的游戏叫做“克锐思匹尔”，一种类似军棋的游戏。他那潜意识中的兴趣驱使他运用他的“博弈论”中“二人博弈零和对策”的原理，建立了模拟美国与前苏联在冷战中的互动模型。“零和对策”是“博弈论”中的一个基本对策，表现的是博弈双方完全对抗、强烈竞争的对策，适合冷战时期的美苏状态。据说冯·诺依曼的推演结论是美苏在未来将不分胜负。第二次世界大战一开始，冯·诺依曼就坚信盟军必胜。他运用他的“博弈论”，建立了同盟国与协约国之间的战争冲突模型，然后进行推演，并且预测胜负。他坚信不移，并且告诉他当时的助手哈尔默斯：德军必败！冯·诺依曼和哈尔默斯都是来自匈牙利的移民，也都是犹太人。二战初期，法西斯军队所向披靡，铁蹄践踏之处，犹太人便遭灭顶之灾。这场大战之胜负，于犹太民族生死攸关，冯·诺依曼担心啊！
在学术问题上，他异常严肃认真，但在日常生活上却是非常平易随和，因此在他周围总是充满欢声笑语。
普林斯顿高等研究院打算聘用一位工程师，帮助冯·诺依曼设计制造计算机。研究院请冯·诺依曼面试拍板。冯·诺依曼约那人到家里见面。那位工程师驾驶的老爷车途中抛锚，前不着村后不着店，只能自己动手修理。赶到冯·诺依曼家时，已是满身油污。冯·诺依曼丝毫不介意，热情握手，让至客厅，请客人在洁白的沙发落座。一条狗也跟了进来，冯·诺依曼任凭那狗用它那泥爪子在他家绒毛地毯上践踏。客人倒替冯·诺依曼心疼起来，可是看到主人坦然自若，转念一想：主人既然对自己的狗都如此纵容，一定不会介意我的脏裤子坐在他家洁白的沙发上吧？于是心情放松，面试顺利，冯·诺依曼决定雇用他。在工程师出门告别的时候，冯·诺伊曼突然问：“不带上你的狗一起走吗？”
有所长必有所短，天才的数学家冯·诺依曼却是个非常蹩脚的司机，开车时经常走神去思考问题，难免时常出现险情与交通事故。他几乎每年要撞坏一部汽车。在当年普林斯顿的一条街道的尽头，堆放着所有被冯·诺依曼“报销”了的废车，那块地方获得了一个绰号：冯·诺依曼之角。
“计算机之父”：冯·诺依曼不接受这个称号
1943年，冯·诺依曼应美国政府国防部之邀，以顾问身份参与研制原子弹的“曼哈顿计划”。他主导完成了在原子弹爆炸设计中的关键计算。他还建立了一个数学模型，模拟携带原子弹的轰炸机的飞行轨道。他还参与了选择原子弹轰炸日本的地点的决策。
美国依阿华州立大学的阿坦那索夫发明了世界上的第一台电子计算机之后，美国的大学、研究机构与军方相继研究制造了十几台电子计算机。冯·诺依曼此时就已经注意到，速度超过人工计算千万倍的电子计算机的出现，有可能会把一些传统上相当难处理的繁杂运算，变得可计算，变得轻松简便。但冯·诺伊曼考察了那个年头所有的计算机，认为它们都不够好。他要凭着自己的数学能力，改进计算机的逻辑设计，同时为计算机设计出好的算法。冯·诺依曼迅速把概念变成了方案，在1945年，一篇长达101页的科学报告问世，这就是计算机史上著名的“101页报告” ，称之为“EDVAC方案”，刻画出了现代计算机的体系结构，今天人们称之为冯·诺依曼结构。洋洋万言的“EDVAC方案”是现代计算机科学发展的里程碑。
战争结束了，美国海军决定拨给冯·诺依曼一笔款子，放手让他去设计一台能够准确预测、预报天气的机器。冯·诺依曼研制的电子计算机，每秒钟能进行2000次运算，是当时最快的计算机，叫做“IAS”，它取自于“高等研究院”的三个英文字的字头。虽然在预测天气方面还不够准确，但是IAS成功地完成了氢弹设计的复杂计算工作。
不少人把冯·诺依曼当作是计算机科学的奠基人，有人甚至称他为“计算机之父”。其实，他本人并不接受这个称号。首先，在计算机科学上，冯·诺依曼认为他的研究成果是受到了计算机科学家图灵的思想的启发，他仅仅是发扬光大图灵的原始概念。其次，关于计算机的发明权当时就有争议，冯·诺依曼清楚地宣称他本人不是电子计算机的发明人，那另有别人。
远离了在电子计算机发明权上的争执，冯·诺依曼继续以普林斯顿高等研究院为基地，领导他的团队在1952年研制了另一台计算机，叫做EDSAC”。这是世界上第一台使用磁带输入，并且可以把程序储存在机器内部的计算机，效率大大提高，电耗大大降低，实现了又一个突破。计算机IAS和EDSAC，凝聚着这位世纪天才的智慧和心血，毫无疑问，在当时都是最棒的！
冯·诺依曼为他的计算机开创性地设计了程序，以编码的形式存储在计算机的记忆单元里或磁带上，取代了当时流行的纸带打孔的程序输入方式。如今，计算机程序员已经成为一项颇受年轻人青睐的职业，但人们可否知道,正是冯·诺依曼让他的妻子克莱拉成为了世界上的第一位程序员？克莱拉的繁琐而枯燥的编码操作，协助丈夫实现了他那天才头脑里产生的奇思妙想。
真正的大天才从不画地为牢，固守自己的研究界限。冯·诺依曼在计算机科学上的贡献完全不亚于他在数学上的成就。他研究了“线性代数”的数值计算，后来着重研究“非线性微分方程”的离散化以及稳定性问题。他协助发展了一些重要的算法，特别是使用随机数处理确定性数学问题的“蒙特卡罗方法”。他在计算数学上的成就与贡献，无人能出其右。冯·诺伊曼对于政治与军事的兴趣绝不亚于科学。1948年，美国国防部与空军联合成立了一个智库“兰德”，宗旨是“思考那些不可思议的问题”，冯·诺依曼出任“兰德”的顾问。当时关注的焦点是核子战争发生的可能性，以及应对策略。
他作为一位跨越许多领域的杰出科学家，向美国政治、军事和经济的高层决策人士提供建议。
1954年，冯·诺伊曼被任命为“原子能委员会”成员，一年后，他被诊断出骨癌。他曾在比基尼珊瑚岛观察原子弹试验，暴露在过量的放射元素之下，这是他患病的最可能的原因。不只他一位，当年参与原子弹设计与试验的许多物理学家，也都不幸因患癌症而英年早逝。
樊畿说：“冯·诺依曼的工作影响了整个社会和全人类！”
在冯·诺依曼放下他已经做得那么好的理论数学研究，而转向计算数学问题的研究时，引发了普林斯顿高等研究院里数学家的纷纷议论。
冯·诺依曼能够在普林斯顿高等研究院内成功地研制计算机是奇迹，是异数，要知道一个轰隆作响的计算机与研究院里那高雅沉稳的传统学术气氛是多么不协调。只有冯·诺依曼，能够凭着他那超级人望和威信，说服研究院同仁，加之他长袖善舞，成功游说政府和军方慷慨解囊，方使得计算机的科研项目在普林斯顿高等研究院上马启动。虽然研究院容忍他聘雇进来一批工程师，制造了计算机，但是没有多少数学家对他的科研项目真正感兴趣。冯·诺依曼是数学家出身，深深理解他的同事们，他明白普林斯顿高等研究院绝非计算机科学和计算数学生长的好土壤。在他将要离开普林斯顿，前往首都华盛顿就职的时候，他必须为他的计算机找个栖身之地。他选中了附近的普林斯顿大学，而普林斯顿大学也乐意接受冯·诺依曼的“礼物”，并承诺保持机器正常运转。后来，普林斯顿大学十分后悔，因为计算机的运转与维护费用一年高达十万美元。冯·诺依曼去世的不幸消息传来，普林斯顿大学立即关闭了计算机。冯·诺依曼的计算机一时之间成了“食之无味，弃之可惜”的一堆废铁。IBM趁机索要，普林斯顿大学乐得甩掉“包袱”，让IBM用大卡车运走了。拥有当年冯·诺依曼的计算机，IBM在制造电子计算机的厂商中间鹤立鸡群，风头更劲。普林斯顿大学后悔莫及，当年IBM没有拆走的、钉在墙上的6英寸的计算机的开关控制器，成为仅存的珍贵文物。更为可惜的是，当年冯·诺依曼的追随者们，后来都成为计算机科学的先锋，他们各奔东西，没有一个留在普林斯顿，那个让他们受尽歧视的地方。
樊畿先生在上个世纪90年代对我说：“现在看来冯·诺依曼当时是有道理的。可是当年，普林斯顿的人都不理解他。他如果只做数学，那他顶多是影响数学界。今天我们看到了，冯·诺依曼的工作影响了整个社会和全人类！” 真是“千载谁堪伯仲间”，冯·诺依曼的远见卓识是无人能望其项背的。
巨星陨落，光辉永在人间
在原子能委员会工作时期，冯·诺伊曼不断向人们传播和平利用原子能的观念。他不仅告诫美国政府的官员必须科学利用原子能与严格控制核武器，也向平民百姓解释相关的科学知识。一次，一群青少年来委员会参观原子能展览，他当时已经病入膏肓，仍亲自出马接待。好奇的孩子们围着他问这问那，他耐心讲解。当孩子们问到“放射性探测仪”的时候，冯·诺伊曼向孩子们详细解释放射性元素会对人体造成的严重伤害以及如何躲避，人们看见他的眼睛里闪现泪光。
冯·伊曼智者千虑，却没有虑及放射性射线对自己和其他参与核试验的科学家的致命伤害，令人扼腕。
患病期间的冯·诺伊曼不得不整天坐在轮椅上，即使如此，他仍然马不停蹄，没有停止工作。1963年美国一部影片《斯淳芝博士》的主人公的原型就是冯·诺伊曼，主人公斯淳芝博士是一位坐在轮椅上忘我工作的勤奋的天才。
冯·诺伊曼的最后一次公开露面是在1956年2月。在白宫，艾森豪威尔总统代表美国政府和人民为他颁授“自由勋章”。到了4月，冯·诺伊曼不得不住进医院。然而就在医院的病房里，他还设置了一间办公室，便于工作和接待访客。来自空军和国防部长办公室的客人络绎不绝，冯·诺伊曼继续为高层政治家们提供咨询，直至去世的前一天。
1957年2月8日，冯·诺伊曼在华盛顿辞世，一颗超级明亮耀眼的科学巨星陨落。
1961年，《冯·诺伊曼全集》出版，共6卷，收集了冯·诺伊曼毕生的著作。
两年后，冯·诺伊曼的遗孀克莱拉·冯·诺伊曼自杀。
冯·诺伊曼的独生女儿，玛丽安娜·冯·诺伊曼·惠特曼博士，学有所成，被尼克松总统任命为“总统的经济顾问”，她是美国历史上第一位出任这个职务的女性。在此前后，她在匹兹堡大学和密西根大学教授经济学，还曾出任美国通用汽车公司副总裁长达13年。在玛丽安娜心中，冯·诺伊曼永远是个精力充沛，不知疲倦的数学家，是个笑口常开，风趣快乐的父亲。
2005年，美国发行一套纪念邮票，特别纪念包括冯·诺伊曼在内的四位伟大科学家，那是从上千位有杰出贡献的美国科学家中甄选出来的。古语说“人事有代谢，往来成古今”，冯·诺伊曼仙逝已经50年(高数网按：此文发表于2007年)，但他在世人心中的魅力与光彩却丝毫没有衰减褪色。拿破仑有一句名言，“天才人物就像流星一样，注定要燃烧自己，照亮他所在的时代。”
文章来源：2007年《人物》杂志
德先生精彩文章回顾
在公众号会话位置回复以下关键词，查看德先生往期文章！
人工智能｜类脑研究｜人机大战｜机器人
虚拟现实｜无人驾驶｜智能制造｜无人机
科研创新｜网络安全｜数据时代｜区块链
……
更多精彩文章正在赶来，敬请期待！
欢迎移步求知书店，查阅选购德先生推荐书籍。