Джон фон Нейман

Загрузка ...

1903–1957

 

  В огромном здании современной математики для фон Неймана не было закрытых дверей. 

Ю.А. Данилов 

 

Слушая фон Неймана, начинаешь понимать,  как должен работать человеческий мозг. 

Современники о фон Неймане

 

...Благодаря фон Нейману мы поняли, как нужно проводить вычисления.

Петер Хенричи

 

Джон фон Нейман (28 декабря 1903 – 8 февраля 1957) – венгеро-американский математик еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Янош Нейман (так его звали в Венгрии, в Германии он стал Иоганном, а в США – и уже навсегда – Джоном) родился 3 декабря 1903 года в Будапеште, в богатой еврейской семье. Его отец, Макс Нейман, переселился в Будапешт из провинциального городка Печ в конце 1880-х годов, получил степень доктора от юриспруденции и работал адвокатом в банке. Мать, Маргарет Канн, была домохозяйкой. Еврейские традиции в семье не соблюдались. Позже вся семья приняла католицизм.

Первое серьёзное увлечение Яноша –  «Всемирная история» в 44 томах, которую он полностью проштудировал. Абсолютная память позволяла ему через много лет цитировать любую страницу некогда прочитанной книги, причем, иногда прямо, в том же темпе, переводя на немецкий или английский, с некоторыми затруднениями – на французский или итальянский. В 6 лет Янош перекидывался с отцом репликами на древнегреческом и перемножал в уме шестизначные числа. В 8 лет он уже интересовался вопросами высшей математики. Родители серьезно отнеслись к его необычной одаренности и предоставили ему возможность заниматься с лучшими частными преподавателями. 

В 10 лет Янош поступает в лютеранскую гимназию Будапешта. Школа эта сыграла гигантскую роль в развитии мировой науки. Из её стен вышли, помимо фон Неймана, такие выдающиеся ученые как Дьёрдь Хевеши (1885-1966, Нобелевская премия по химии 1943), создатель голографии Деннис Габор (1900-1979, Нобелевская премия 1971), ближайший друг фон Неймана Юджин Вигнер (1902-1995, Нобелевская премия 1963), Лео Сцилард (1898-1964, премия Эйнштейна 1959), «отец» американской водородной бомбы Эдвард Теллер (1908-2003). Психологи и историки науки до сих пор теряются в догадках о причинах такой вспышки гениальности в одном месте. Преподаватели скоро замечают особые, даже на таком фоне, способности Неймана и приобщают его к лекциям и семинарам в университете. В итоге, в 18 лет он публикует свою первую научную работу, а духовный отец венгерской математики Липот Фейер (1880-1959) называет его

самым блестящим Яношем в истории страны,

титул, оставшийся за ним на всю жизнь (имя Янош – одно из самых распространенных в Венгрии). 

Ещё в 1913 году отец Неймана получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским и венгерским символами знатности – приставкой фон (von) к австрийской фамилии и титулом Маргиттаи (Margittai) в венгерском именовании – стал называться Янош фон Нейман или Нейман Маргиттаи Янош Лайош. Впоследствии, во время преподавания в Берлине и Гамбурге, его называли Иоганн фон Нейман. Ещё позже, после переселения в 1930-х годах в США, его имя на английский манер изменилось на Джон. 

В 1919 году в Венгрии происходит коммунистический переворот, и власть на два месяца захватывает лидер венгерских коммунистов Бела Кун. Семья фон Нейманов уезжает на это время в Венецию, где у них есть дом, а Янош на всю жизнь становится яростным антикоммунистом, точнее противником любого тоталитаризма. 

В 1920 году Янош заканчивает гимназию. Отец, умудренный жизненным опытом, советует ему выбрать более практичную, нежели чистая математика, специальность. И Янош одновременно с математическим факультетом университета в Будапеште поступает в Технологический институт Цюриха на специальность химическое машиностроение. Посещение лекций в обоих вузах не обязательно, поэтому фон Нейман появляется в них практически только на период экзаменов, проводя остальное время в Берлине, и посвящая его занятиям математикой. Здесь он так преуспевает, что знаменитый Герман Вейль, вынужденный отлучиться во время семестра, оставляет ему – даже не студенту Берлинского университета – конспекты своих лекций по текущим разделам математики! 

В 1925 году фон Нейман получает диплом инженера-химика в Цюрихе и одновременно защищает диссертацию "Аксиоматическое построение теории множеств" на звание доктора философии в Будапештском университете. Его работа на эту тему 1923 года (автору 20 лет) столь глубока, что известный логик и математик А. Френкель советует ему написать более простую и популярную статью о своих результатах. Она и была представлена как диссертация и получила наивысшую оценку. 

Молодой доктор отправляется совершенствовать свои знания в Гёттинген, фактически физико-математическую столицу мира. Здесь он начинает работать с великим Давидом Гильбертом и знакомится с идеями только зарождавшейся тогда квантовой математики. Помимо чисто математических работ с Гильбертом и его сотрудниками фон Нейман, отчасти под влиянием обсуждений с Львом Давидовичем Ландау (советский физик-теоретик, основатель научной школы, лауреат Нобелевской премии по физике 1962 года), тогда же стажировавшимся в Гёттингене, разрабатывает метод матрицы плотности, один из основных методов квантовой теории по настоящее время. Работы по квантовой теории вылились, в итоге, в книгу «Математические основы квантовой механики», вышедшую в 1932 году. 

На основе этих работ, с уклоном в физику, фон Нейман начал другой цикл – по теории операторов, благодаря которым он считается основоположником современного функционального анализа, одного из наиболее бурно развивающихся, магистральных направлений математики. 

Но «и на старуху бывает проруха», как говорит известная поговорка. В 1927 году фон Нейман написал статью "К гильбертовой теории доказательства", в которой пытался обосновать непротиворечивость математики как теории в целом. А в 1931 году Курт Гёдель доказал великую теорему: если на основе системы аксиом построена математическая теория, то пользуясь только самыми строгими правилами вывода мы обязательно придем к противоречию! Таким образом, оказалось, что не может быть непротиворечивых математических теорий – а ведь математика всегда считалась единственным образцом строгой логики, лишенной противоречий.  

В истории науки значимость теоремы Гёделя может сравниваться только с квантовой теорией и теорией относительности. Всё это величайшие интеллектуальные достижения ХХ века. И фон Нейман, который был очень близок к возможности получить такой важнейший результат, упустил его. По мнению Станислава Улама, польского математика, переехавшего в Принстон в 1934 году и позднее участвовавшего в создании водородной бомбы в рамках ядерного проекта Лос-Аламосской лаборатории, эта неудача наложило отпечаток на всю его жизнь. 

Но еще до осознания этой неудачи фон Нейман открывает совершенно новую область исследований. В 1928 году он пишет статью "К теории стратегических игр", в которой доказывает знаменитую теорему о минимаксе, ставшую краеугольным камнем созданной позже теории игр. 

Работа эта возникла из обсуждений наилучшей стратегии при игре в покер двух, в простейшем случае, игроков. В ней рассматривается ситуация, когда по правилам игры выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. При этом каждый игрок может выбирать из конечного числа стратегий – последовательностей действий и считает, что противник всегда поступает наилучшим для себя образом. Теорема фон Неймана утверждает, что в такой ситуации существует "устойчивая" пара стратегий, для которых минимальный проигрыш одного игрока совпадает с максимальным выигрышем другого. Устойчивость стратегий означает, что каждый из игроков, отклоняясь от оптимальной стратегии, лишь ухудшает свои шансы и, ему приходится вернуться к оптимальной стратегии. 

Таким образом, теорема фон Неймана позволяет наметить пути оптимальной стратегии, притом не только в покере: можно на таком же основании рассматривать пару покупатель-продавец, банкир-клиент, выборная кампания двух партий, футбольный матч, военный конфликт, наконец, – во всех этих ситуациях речь идет о выборе оптимальной стратегии. И, конечно, теорема минимакса не решила всех этих проблем: она послужила лишь фундаментальным толчком к бурному развитию теории, не утихающему и сейчас. Особую роль в этом направлении сыграла вышедшая в 1944 году книга фон Неймана и Оскара Моргенштерна "Теория игр и экономическое поведение" (русский перевод вышел только в 1970 году). Книга эта сразу стала бестселлером. Она выдержала несколько изданий и до сих пор является Библией экономистов и математиков, занимающихся экономикой и, вообще, теорией операций. 

В 1930 году фон Нейман был приглашён на преподавательскую должность в американский Принстонский университет. К этому времени фон Нейман понял, что поскольку в Германии всего три места профессора чистой математики и около 40 доцентов, на эти места претендующих, то ему, еврею, надеяться не на что. Поэтому он принял предложение переехать в США, в Принстон, где – главным образом для Эйнштейна – создавался Институт перспективных исследований (знаменитый Institute for Advanced Studies). В Принстоне он работает рядом с А. Эйнштейном, К. Гёделем, Г. Вейлем, Р. Оппенгеймером. В первые годы он еще ездит в Европу, но всё реже в Венгрию, где адмирал Хорти – первым в ХХ веке – открыто провозглашает антисемитизм своей официальной политикой. 

В 1936 году в Принстон приехал на два года, заниматься математической логикой, Алан Тьюринг. Здесь он опубликовал свою знаменитую работу об универсальных вычислительных машинах. Машины Тьюринга реально не осуществимы, но они показывают принципиальную возможность решения любых задач с помощью элементарных арифметических действий. Идея захватила фон Неймана. Он предложил Тьюрингу место ассистента для совместной работы. Тьюринг отказался, вернулся в Англию, где в годы войны стал искусным дешифровальщиком немецких сообщений. 

В 1937 году фон Нейман стал гражданином США. В 1938 он был награждён премией имени М. Бохера, присуждаемой раз в пять лет за наиболее значительные результаты в области анализа. 

С самого начала войны фон Нейман считает себя обязанным заниматься военными проблемами. Он едет в Вашингтон, затем в Англию и вплоть до 1943 года разрабатывает методы оптимального бомбометания. Таким образом, он участвует в работе созданных в США и в Англии групп ученых, занятых тем, что впоследствии составит новую научную дисциплину: теорию исследования операций. 

Поясним эти слова реальным примером. Моряки сомневались, стоит ли оборудовать торговые суда зенитными установками, поскольку за время войны ни один вражеский самолет огнём с этих судов сбит не был. Однако, ученые из этих групп доказали, что само знание о наличии таких орудий на торговых судах резко уменьшило вероятность и точность их обстрелов и бомбежек, а потому было полезно. 

К компетенции теории исследования операций относятся и проблемы комплектования военных конвоев, их охранения, выбор маршрутов и расписания движения, геометрия бомбометания, длительность артподготовки и многое, многое другое. Мы уже не говорим о проблемах баллистики, о детонации взрывчатых веществ и т.д. 

Интерес фон Неймана к компьютерам непосредственно связан с его участием в  Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, который разрабатывался в ряде мест США, в том числе и в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Там фон Нейман математически доказал осуществимость взрывного способа детонации атомной бомбы. 

Дело в том, что взрыв происходит в тот момент, когда масса урана-235 или плутония достигает критического значения, где-то примерно 5 кг. В принципе для этого можно выбрать такой простейший вариант бомбы: два куска активного вещества, каждое массой несколько больше 2,5 кг, выстреливаются друг в друга и в момент соприкосновения взрываются (длительность взрыва порядка одной стомиллионной секунды). Схема, конечно, проста, даже слишком: успевает при этом взорваться небольшая часть активного вещества, все остальное испаряется и только заражает окрестности. 

Поэтому рациональней собрать бомбу из большего числа частей, строго одновременно направляемых с боков в центр. Вот такую конструкцию предложил, вместе с методами расчета, фон Нейман. 

Хотя фон Нейман занимался самыми абстрактными разделами математики, его никогда не оставляют равнодушным и проблемы приближенных расчётов. Ведь, скажем, для практических целей часто достаточно просчитать что-то с точностью всего до двух-трех знаков, а не сотен знаков после запятой, что может дать точный расчет. В этой области существует целый ряд приближенных методов. Вот, например, для оценки площади сложной фигуры, например, какой-либо страны с прихотливыми границами – иногда достаточно нарисовать эту фигуру на плотной однородной бумаге, точно вырезать, взвесить и сравнить с весом квадратика из той же бумаги, чью площадь легко сосчитать. А математически это будет означать приближенный расчет сложного интеграла. 

Первая электронно-вычислительная машина (ЭВМ) была построена в 1943-1946 годах в Пенсильванском университете и названа ЭНИАК (по первым буквам английского названия - электронный цифровой интегратор и вычислитель), возможности упрощения программирования для нее были подсказаны фон Нейманом. Следующей ЭВМ был ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), для него фон Нейман разработал подробную логическую схему, в которой структурными единицами были не физические элементы цепей как раньше, а идеализированные вычислительные элементы. Таким образом, он разработал общие принципы построения, «архитектуру» таких машин, а их реальное, физическое воплощение может при этом быть весьма различным. Именно поэтому фон Неймана зачастую называют «отцом» всего компьютерного направления в современной науке и технике! 

Фон Нейман с самого начала понимал, что компьютер – это больше, чем калькулятор, что он представляет собой, в потенции, универсальный инструмент для научных исследований. В июле 1954 г. фон Нейман подготовил "Предварительный доклад о машине ЭДВАК" на 101 странице, в котором обобщил планы работы над машиной и дал описание не только самой машины, но и ее логических свойств. Этот отчет стал первой работой по цифровым электронным компьютерам, с которой познакомились широкие круги научной общественности. Доклад циркулировал по лабораториям, университетам и странам, тем более, что фон Нейман пользовался широкой известностью в ученом мире. 

Отметим, что именно принципы параллельной обработки информации, заложенные фон Нейманом, сделали возможным рывок быстродействия работы компьютерных сетей последнего десятилетия. 

Нужно также отметить, что многие идеи фон Неймана еще не получили должного развития. Например, идея о взаимосвязи уровня сложности и способности системы к самовоспроизведению, о существовании критического уровня сложности, ниже которого система вырождается, а выше – обретает способность к самовоспроизведению (в частности, роботы могут начать размножаться, в том числе и неконтролируемым образом – идея, широко используемая в фантастике). Огромное значение имеют – и еще большее будут иметь в будущем – его идеи о построении надёжных устройств из ненадежных элементов. 

Интересна общая характеристика, даваемая Уламом:

Фон Нейман был блестящим, изобретательным, действенным математиком, с потрясающей широты кругом научных интересов, которые простирались и за пределы математики. Он знал о своем техническом таланте. Его виртуозность в понимании сложнейших рассуждений и интуиция были развиты в высшей степени... Джонни всегда был трудоголиком; он обладал огромной энергией и выносливостью, скрывающейся под не слишком волевой наружностью. Каждый день он начинал работать еще до завтрака. И даже во время званых вечеров у себя дома он мог вдруг оставить гостей, отлучиться где-нибудь на полчаса, чтобы записать что-то, пришедшее ему на ум.

Внешность фон Неймана была вполне обычной. Был он несколько полноват (в школьные годы единственно плохие отметки у него были по физкультуре, посредственные – по пению и музыке), одевался всегда очень элегантно, любил хорошие, даже роскошные  вещи. Привыкнув с детства к хорошо обеспеченной жизни, цитировал одного из своих дядюшек: «Недостаточно быть богатым, надо еще иметь деньги в Швейцарии». 

При вождении автомобиля никогда не старался развить максимальную скорость и очень любил, попадая в пробки, решать интеллектуальные задачи быстрейшего выхода из них. В поездках он порой так глубоко задумывался о своих проблемах, что приходилось звонить за уточнениями. Его жена рассказывала, что характерным был такой звонок:

Я доехал до Нью-Брунсвика, видимо еду в Нью-Йорк, но забыл куда и зачем. 

В 1955 году фон Нейман был назначен членом (фактически, научным руководителем) Комиссии США по атомной энергии и переехал из Принстона в Вашингтон. Он очень гордился тем, что он, иностранец, получил столь высокий государственный пост и работал на нём со всей возможной отдачей. 

Однако, в  том же 1955 году учёный заболел. Ещё летом 1954 года фон Нейман ушиб левое плечо при падении. Боль не проходила, и хирурги поставили диагноз костная форма рака. Предполагалось, что рак фон Неймана мог быть вызван радиоактивным облучением при испытании атомной бомбы в Тихом океане или, может быть, при последующей работе в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико (его коллега, пионер ядерных исследований Энрико Ферми, умер от рака желудка на 54 году жизни). Несколько операций не принесли облегчения и, получая в начале 1956 году из рук Эйзенхауэра высшую награду США для гражданских лиц – «Президентскую медаль Свободы» – фон Нейман сидел в инвалидной коляске. 

8 февраля 1957 года Джон фон Нейман умер в больнице. 

В последние годы жизни Джон фон Нейман часто повторял, что выйдя на пенсию откроет в Принстоне кафе, где не будет никаких музыкальных автоматов, а за чашечкой хорошего кофе можно будет спокойно беседовать. Так, говорил он, удастся привить американцам настоящий европейский – точнее, венский – стиль жизни. Ну и при этом, несомненно, будут звучать действительно остроумные, не из бульварных газет, анекдоты. Сам он слыл непревзойденным их знатоком и рассказчиком, вставлял их, как и шутки, в самые ответственные выступления, а вечера – приятельские встречи у него дома, уже в Принстоне, происходившие 2-3 раза в неделю, славились весельем, заводимым хозяином. 

Мечте о своем кафе не суждено было сбыться, Джон фон Нейман умер в 53 года. Но сделано им было столько открытий, построено столько новых теорий, даже основано столько новых направлений в науке, и притом в весьма различных областях, что хватило бы на десяток прославленных ученых. 

Джон фон Нейман был избран членом: 

был почётным доктором многих университетов в США и других стран. 

Имя фон Неймана носят следующие объекты естествознания: 

 

По материалам статей: М. Перельман, М. Амусья «Самый быстрый ум эпохи» к столетию Джона фон Неймана, Ю.А. Данилов «Джон фон Нейман» и Википедии.