Бинарный салют, друзья! На связи снова Инженер Спок!
Сегодня мы познакомимся с уникальным человеком. Его имя – Джон фон Нейман. Наряду с Аланом Тьюрингом и Клодом Шенноном, его считают одним из изобретателей компьютера. Научные работы фон Неймана повлияли на квантовую теорию, теорию автоматов, экономику и другие отрасли. Его называют одним из основателей программирования как отдельной индустрии, а разработанная им архитектура и в наше время используется для проектирования компьютеров.
Давайте начнем наше знакомство с биографией Джона фон Неймана, полиглота, инженера, химика, эксперта по атомной энергетике и одного из лучших математиков 20-го века
Поехали!
Лайкосы / Подписки / Курсы
- подписывайтесь на группу в телеграме
- подписывайтесь на канал в YouTube
- покупайте курсы по программированию
Джон фон Нейман – именно под этим именем мы знаем этого великого ученого. Но так он стал себя называть лишь в 1930 году – почти через три десятилетия после рождения. Его настоящее имя – Янош Лайош Нейман. Он родился 28 декабря 1903 года в Будапеште в состоятельной еврейской семье.
Янош был вундеркиндом и обладал феноменальной памятью: в шестилетнем возрасте мог разделить в уме два восьмизначных числа, разговаривал на нескольких европейских языках, владел древнегреческим, но больше всего интересовался природой чисел и математической логикой.
Учеба в гимназии
Родители всячески поддерживали рвение к науке юного дарования. Семья была весьма состоятельной и могла себе позволить частных педагогов, которые занимались с Яношем разными науками. В восемь лет он без труда поступил в лютеранскую гимназию, которая в то время считалась одним из самых престижных заведений Будапешта.
Кроме математики юного гения интересовали история и другие предметы. За первый год обучения, будучи восьмилетним мальчиком, он прочел все сорок томов мировой истории и запомнил их.
Когда ему было десять лет, его отец Макс Нейман получил дворянский титул и право добавить к своей фамилии приставку “фон”. Так Янош стал Яношем фон Нейманом.
Обучаясь в гимназии, Янош как губка впитывал знания по всем дисциплинам, впечатляя учеников и преподавателей, но его настоящей страстью была математика. Поступив в Будапештский университет, он проводил много времени в других вузах.
В частности, общался с Эрхардом Шмидтом, посещал лекции Альберта Эйнштейна в Берлинском университете, ездил в Швейцарию, где получал дополнительное образование в Цюрихском федеральном институте Технологии на факультете химического машиностроения.
Но все же основным местом учебы Фон Неймана оставался университет в родном Будапеште. Именно в его стенах преподаватель математики Ласло Ратц заметил в Фон Неймане гениальный потенциал и помог ему развить свои таланты. Ратц представил Фон Неймана будапештским математикам, в частности, Липоту Фейеру, которого считали самым выдающимся венгерским математиком того времени. К моменту окончания университета Фон Нейман уже имел репутацию молодого, но весьма авторитетного ученого.
Карьера
В 18 лет он написал первую научную работу под названием “О расположении нулей минимальных полиномов”. Она была опубликована в журнале Немецкого математического сообщества в 1922 году. Этот факт и следует считать началом стремительного взлета карьеры фон Неймана как ученого. Будучи всего 23-летним молодым человеком, фон Нейман получил степень доктора философии по математике в университете Будапешта. Параллельно он продолжал изучать химию и экспериментальную физику.
Первая работа фон Неймана, которая привлекла серьезное внимание научного сообщества, была посвящена аксиоматической теории множеств. Она увидела свет в 1923 году и называлась “К введению трансфинитных ординальных чисел”. Фон Нейман разработал свою систему аксиом и описал ее в ряде научных материалов, в том числе взял ее за основу докторской диссертации.
Работа была настолько сложной, что известный израильский математик Абрахам Френкель, которому было поручено отрецензировать ее, не смог сам справиться. Поэтому он попросил фон Неймана сделать краткую версию в виде статьи, где проблема описывалась бы простыми и понятными словами. Фон Нейман это сделал, и в 1925 году мир увидел его научную статью “К вопросу об аксиоматическом построении теории множеств”, которая была опубликована в престижном математическом журнале. Не только математика манила Фон Неймана. В 1925 году он стал дипломированным инженером-химиком.
Вдохновленный успехом и ощущая стеснение в стенах Будапештcкого университета, он отправился в Геттингенский университет,
более известное и престижное учебное заведение на то время. В свое время в его стенах лекции читали настоящие светила науки – Рунге, Ландау, Борн, Планк, Бор, Пуанкаре и многие другие.
Особое влияние на мировоззрение фон Неймана оказал Давид Гильберт, немецкий ученый, который после смерти Пуанкаре был неофициально признан мировым лидером математиков. В стенах Геттингенского университета фон Нейман познакомился с идеями квантовой механики. На то время это была достаточно новая и малоизученная область. Фон Неймана как математика привлекло именно математическое обоснование квантовой механики.
Он провел много часов, работая над ее изучением, а после – обоснованием, в результате чего мир увидел статью “Об основаниях квантовой механики”. Математики и физики поражались производительности ученого. Он выпускал научные статьи целыми сериями. “Математическое обоснование квантовой механики”, “Теоретико-вероятностное построение квантовой механики” и “Термодинамика квантовомеханических систем” – в этих и других работах автор разъяснял и упрощал квантовую механику, делая ее более понятной и доступной. Именно он приложил усилия для того, чтобы в квантовой механике появился язык операторов, действующих в гильбертовом пространстве состояний.
Параллельно с научными достижениями молодой и перспективный ученый занимал важные должности. А 1926 году Фон Неймана пригласили в Берлинский университет на должность приват-доцента, где он проработал на протяжении следующих четырех лет, а в 1929 года он занял такую же должность в Гамбургском университете.
Теория игр
Одна из наиболее значимых работ Фон Неймана – “К теории стратегических игр“, вышла в печать в 1928 году. В ней автор доказал теорему о минимаксе, фактически заложив фундамент для возникновения теории игр.
Вкратце рассмотрим суть.
Теорема фон Неймана изучает ситуацию, когда два игрока играют в игру, где выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. Каждый игрок может сделать выбор из ограниченного набора стратегий и считает, что противник выбирает наилучшую стратегию для себя.
Важность этой теоремы для науки заключается в том, что она доказывает существование “устойчивой” пары стратегий, при которой минимальный проигрыш одного игрока совпадает с максимальным выигрышем другого игрока.
Устойчивость стратегий означает то, что если каждый игрок отклоняется от оптимальной стратегии, его шансы на успех ухудшаются, поэтому ему приходится вернуться к оптимальной стратегии. Фон Нейман доказал эту теорему. Методы теории игр широко применяются в различных областях и в наше время. Это – международные отношения, экономика, социология, политология, психология, этика, юриспруденция и другие общественные науки. К примеру, она используется биологами для изучения поведения животных и теории эволюции.
В последние годы теория игр имеет особенно важное значение для изучения развития искусственного интеллекта и кибернетики в целом.
Это связано с тем, что она предоставляет инструменты и модели для анализа стратегического поведения и принятия решений, что помогает разрабатывать умные алгоритмы и системы, способные действовать в сложных и неопределенных ситуациях.
Переезд в США
В 1930 году в жизни Фон Неймана случилось два важных события. Во-первых, он женился на своей подруге детства. Во-вторых, получил приглашение переехать в Соединенные Штаты Америки в качестве приглашенного эксперта в Принстонский университет.
Это на самом деле знаменательное событие, потому как Фон Нейман стал одним из первых иностранцев, которому этот университет предложил официальное сотрудничество.
По случаю переезда в США Янош изменил свое имя на Джон и стал Джоном фон Нейманом, а позже – принял гражданство США.
Его знания в математике, химии, экономике и других дисциплинах позволили ему стать универсальным специалистом и быстро завоевать признание уже в Америке. В качестве эксперта он присоединился к числу сотрудников Института перспективных исследований, размещенного в том же Принстоне. Переезд в Соединенные Штаты и погружение в американскую научную среду повлекли за собой разрыв связей с европейскими учебными заведениями. Фон Нейман стал профессором в Принстоне и занимал эту должность до конца своей жизни.
В США ученый продолжил трудиться над вопросами квантовой механики. Названия статей, которые он написал в соавторстве с другими учеными, говорят сами за себя, – “Об алгебраическом обобщении квантовомеханического формализма”, “Логика квантовой механики”. Он стал первопроходцем квантовой механики и описывал свои разработки, теории и достижения в научных публикациях, которые будоражили умы американских и европейских коллег.
Второй брак
Активное погружение в научную среду не могло не сказаться на семейной жизни Фон Неймана. В 1937 он развелся и уехал на лето на родину, в Будапешт. А оттуда вернулся уже со второй женой – Кларой Дан.
Она, к слову, вошла в историю как венгерско-американский учёный в области информатики и одна из первых программистов – не программистов-женщин, а в целом, программистов. В сотрудничестве с Джоном Клара написала первые программы для электронных вычислительных машин.
Докторская диссертация
В 1938 году Нейман под руководством математика и логика Алонзо Черча защитил докторскую диссертацию. В ее основу была заложена статья Алана Тьюринга “О вычислимых числах в проблемах разрешимости”. Научное сообщество высоко оценило достижения Фон Неймана в области математического анализа и присудило ему премию Бохера.
Компьютерная теория и Зонд фон Неймана
Чем же кроме теоретических исследований известен Фон Нейман, и почему его считают одним из самых видных математиков 20-го века? Он был новатором в области компьютерной теории, занимался вопросами логической организации компьютера, проблемами работы машинной памяти. Также его занимали вопросы самовоспроизводящихся систем, а именно возможность генерации жизни из мертвой материи. Его идея заключалась в том, чтобы создать математическую модель некой гипотетической машины, которая может воспроизводить сама себя.
Несмотря на то, что построить такую машину не удалось, сама идея клеточных автоматов нашла применение в самых разных областях науки.
Ее смысл в следующем: каждая клетка может пребывать в определенном состоянии и взаимодействовать с соседними клетками на основе заданных правил. Клеточные автоматы могут быть представлены в виде сетки или пространства, где каждая клетка обновляет свое состояние в зависимости от состояний соседних клеток и правил взаимодействия. А вот взаимодействие реализовано с помощью какого-то стимула, например, электрического тока. Одна из реализаций этой теории – компьютерный процессор на клеточных автоматах.
На основе этой теории можно построить Зонд фон Неймана, известный также как фон Неймановский зонд.
Он представляет собой наномасштабное устройство, способное перемещаться внутри наноструктур и манипулировать отдельными атомами или молекулами.
Зонд может выполнять функции сканирующего зонда, контролировать и записывать информацию о структуре и свойствах материалов на наномасштабном уровне.
Главная идея заключается в том, что зонд фон Неймана может использоваться для создания новых материалов или устройств путем управления и манипулирования атомами или молекулами в наноструктурах. Это открывает перспективы для его использования в таких областях, как наноэлектроника, наномедицина, производство наноматериалов и многих других.
В наше время считается, что одним из возможных применений Зонда Фон Феймана является создание наномасштабных электронных компонентов с помощью манипуляции атомами или молекулами на поверхности материала. Это может открыть новые возможности для разработки более эффективных и мощных электронных устройств.
Важно отметить, что Зонд фон Неймана является пока еще концептуальной исследовательской технологией, а его практическое применение ограничено. Однако исследования в этой области активно продолжаются, поэтому возможно, в будущем зонды фон Неймана будут играть важную роль в развитии нанотехнологий.
Рвение Фон Неймана творить и развивать науку было скорректировано началом Второй Мировой Войны. Его, как эксперта, специализирующегося на математических моделях ударных волн и взрывов, пригласили на должность консультанта в Лабораторию баллистических исследований и Управление боеприпасов Армии США. Также в 1943 году он присоединился к числу участников Манхэттенского проекта, которые трудились над созданием ядерного оружия.
Архитектура фон Неймана
Параллельно с этим он участвовал в разработке первых компьютеров ENIAC и EDVAC. Его вклад как консультанта проявился в разработке идеи компьютера с программой, хранимой в памяти. Он базировался на принципе, который вошел в историю как Архитектура фон Неймана. Остановим на этом поподробнее. Архитектура фон Неймана – это концепция организации компьютера, которая стала основой для построения современных компьютеров. Она определяет структуру и функционирование компьютерной системы.
По сути, данная архитектура предлагает хранить данные и инструкции для их обработки в одной и той же памяти. Это отличает ее от предыдущих систем, где данные и инструкции хранились отдельно. Важность архитектуры Неймана заключается в том, что она позволяет компьютеру гибко обрабатывать различные типы данных и выполнять разнообразные задачи. Компьютеры с архитектурой Неймана могут использовать один и тот же процессор для обработки разных программ, просто загружая новые инструкции и данные в память.
Кроме того, архитектура Неймана облегчает возможность программирования компьютера. Инструкции и данные могут быть записаны в память компьютера и изменены или заменены в процессе работы. Это позволяет создавать различные программы и приложения, делая компьютеры универсальными инструментами для решения разных задач.
Главным ноу-хау такого компьютера является то, что программа не является его постоянной частью, а может изменяться. Итого, компьютер – не калькулятор, на котором никак не поиграть в тетрис, а функциональное устройство, на котором можно установить определенную “прошивку” через внесение определенной программы в его память. Фактически так была создана новая индустрия – программирование: ЭВМ контролируется программой, которая состоит из набора команд. Команды выполняются друг за другом, последовательно. В памяти хранятся и программы, и данные, которые необходимы для выполнения той или иной программы.
В 1952 году была закончена работа над компьютером Maniac I (Mathematical Analyzer Numerical Integrator and Automatic Computer Model),
в основу которого легла архитектура фон Неймана. Да, это слово на русском звучит примерно так же – “Маньяк”. Неизвестно, кто именно предложил такое название. Есть версия, что разработчики, возможно, и сам Фон Нейман сделали это, чтобы в будущем другие не использовали такие глупые сокращения. После вышли вторая и третья версии, что заложило фундамент для возникновения индустрии производства компьютеров.
Создание ядерного оружия и болезнь
В 1954 году Фон Нейман стал членом Комиссии по атомной энергетики, которая продолжала работу над созданием ядерного оружия. На протяжении двух лет он занимал должность главного советника по атомному оружию. И это сыграло с ним злую шутку. Будучи не только ученым-теоретиком, но и любителем лабораторных опытов и экспериментов, Джон фон Нейман принимал непосредственное участие в проведении испытаний, в результате чего, как считают исследователи, заболел раком костей. Болезнь быстро прогрессировала.
В 1956 году ученый уже был прикован к инвалидной коляске. Но все же продолжал работать. Особенно его беспокоили вопросы развития компьютерной техники. Фон Нейман как ученый, имевший незаурядные способности, сравнивал работу мозга человека и компьютера.
Главной идеей книги, опубликованной уже после его смерти, является то, что мозг можно рассматривать как вычислительную машину.
Фон Нейман сравнивает нейронную систему с компьютером, используя знания о компьютерных науках того времени. С момента написания лекций, на основе которых была создана книга, произошли значительные изменения в науке и технике. Поэтому книга имеет, скорее, историческую ценность, чем практическую, так как показывает, какие мысли и размышления беспокоили ученых в то время.
Фон Нейман не успел реализовать огромное количество планов. Некоторые из них поражали своей амбициозностью. Например, он планировал использовать компьютерные расчеты для того, чтобы изменить климат на земле. По его теории, покрытие темной краской полярных льдов могло привести к уменьшению отражения ими солнечной энергии. Подобные инициативы обсуждались на высоком международном уровне уже после его смерти. В 1956 году, за год до своей смерти, фон Нейман получил премию Энрико Ферми за выдающийся вклад в компьютерную теорию и практику.
Умер великий гений 8 февраля 1957 года. Джон фон Нейман оставил после себя огромное наследие, но, все же очень многое воплотить не успел. Болезнь слишком рано поглотила гениального ученого. В память о нем назван кратер на обратной стороне Луны, учреждена медаль, которая вручается за заслуги в области информационных технологий. “Лекция Джона фон Неймана” – престижная награда, которая вручается ученым за разработки в сфере исследования операций и теории управления.
Несмотря на то, что в 1937 году Фон Нейман принял американское гражданство, его особо почитают на родине, в Венгрии. 1 июля 2016 года был учрежден Университет Джона фон Неймана.
Принципы, разработанные Фон Нейманом, получили широкое признание еще при его жизни и стали основой для создания ранних компьютеров. А уже после его смерти их использовали для проектирования и производства мини- и микрокомпьютеров. Несмотря на постоянные открытия в данной сфере и стремление разработать более эффективные принципы вычислений, большинство компьютеров по-прежнему придерживаются архитектуры Фон Неймана.
Таким образом, Джон Фон Нейман, вне всякого сомнения, может быть назван одним из отцов компьютерной науки в целом и программирования в частности.