作者 高关中（德国汉堡）2023/1/1

匈牙利科学家诺伊曼（1903-1957）是20世纪最重要的数学家和最有影响力的人物之一。从原子弹，到计算机、再到量子力学、气候变化，你可能很难找出对我们今天的世界和生活影响更大的科学家了。其最大的贡献则是现代计算机，他提出了电子计算机的基本架构：冯·诺伊曼架构，而被后人称为“现代计算机之父”。

数理化神童

约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann，又译诺依曼）于1903年12月28日出生在布达佩斯的一个富有犹太家庭。他的诞生故居在Báthory utca 16号, 位于匈牙利国会大厦东边不远，如今是诺伊曼计算机学会（John von Neumann Computer Society）所在地。他父亲是银行家，母亲是奥匈贵族的女儿。1913年，奥匈帝国皇帝弗朗茨·约瑟夫授予诺伊曼的父亲贵族地位，并给了这个家族一个世袭的头衔“马尔吉塔”，即现在的罗马尼亚西北部的小城马尔吉塔（Marghita，历史上曾属于匈牙利）。这个头衔纯粹是尊称，因为这个家庭与这个地方没有任何联系。诺伊曼一生都坚持自称为冯·诺伊曼。

年轻的诺伊曼在同龄人中，被认为是真正的神童，尤其是在数学方面。人们认为他有摄影一般的记忆力，这帮助他从很小的时候就吸收了大量的知识。六岁时，他就开始在头脑中进行两个八位数的除法，八岁时，已经掌握了微积分。父亲认为，自己的孩子都需要说除母语匈牙利语以外的欧洲主要语言，所以诺伊曼学习了德语、英语、法语和意大利语。

小时候，诺伊曼对历史也有很深的兴趣，10岁他花费了数月读完了德国历史学家威廉·昂肯（Wilhelm Oncken，1838-1905）主编的46卷专著《世界通史》。11岁，他进入布达佩斯以德语教学的路德教会中学（Lutheraner-Gymnasium），1921年高中毕业。

诺伊曼在数学上的成绩最为优异，但他父亲不相信数学家的职业会带来经济效益。于是诺伊曼和父亲达成共识，学习化学工程。他先去柏林大学学习，听过爱因斯坦的课，后来又进入瑞士著名学府苏黎世联邦理工学院攻读化学。大学期间，诺伊曼还在布达佩斯大学注册为数学专业的学生。该校又称罗兰大学，1635年建立，以物理学家厄特沃什·罗兰命名，是匈牙利的最高学府。但诺伊曼分身乏术，并不来听课，只是每年按时参加考试，考试都得A 。1926年诺伊曼拿下了苏黎世的化学工程师文凭，也获得了布达佩斯大学数学博士学位，论文是关于集合论的。这样，当他结束学生时代的时候，已经漫步在数学、物理、化学三大领域的某些前沿。

1926年秋天，诺伊曼来到格廷根，在希尔伯特（David Hilbert，1862-1943）指导下进行数学研究，希尔伯特是当时世界上最具影响力的数学家之一。诺伊曼从20岁开始就发表论文，到1927年，诺伊曼已经发表了12篇著名的数学论文。

1928年起，他先后执教于柏林大学和汉堡大学。1929年10月，他获得了新泽西州普林斯顿大学的一个职位，并于次年与妻子一起前往美国。1933年，诺伊曼成为新成立的普林斯顿高等研究院的教授。当时研究院聘有六名教授，其中包括爱因斯坦，而年仅30岁的诺伊曼是他们当中最年轻的一位。

1937年，诺伊曼成为美国公民。1940年以前，他主要研究纯数学，此后，转向应用数学。如果说他的纯粹数学成就属于数学界，那么他在电子计算机等方面的工作则属于全人类。

他制定了计算机结构

二战期间诺伊曼参与了曼哈顿计划的研究工作，包括完善原子弹本身的设计和对其功能至关重要的机制。1945年7月16日的人类首次核试验中，诺伊曼在场，当时世界上第一枚原子弹引爆成功。8月初广岛和长崎被炸后，日本投降，第二次世界大战结束。

在原子弹研究中需要进行海量计算，为此他所在的洛斯阿拉莫斯实验室聘用了100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。无穷无尽的数字和逻辑指令如同沙漠一样把人的智慧和精力吸尽。

被计算问题所困扰的诺伊曼在一次极为偶然的机会中知道了世界第一台计算机ENIAC的研制计划，从此他投身到计算机研制这一宏伟的事业中，建立了一生中最大的丰功伟绩。

1944年夏的一天，正在马里兰州阿伯丁火车站候车的诺伊曼巧遇数学家戈德斯廷（Herman Heine Goldstine，1913-2004），并同他进行了短暂的交谈。当时，戈德斯廷是美国弹道实验室的军方负责人，正参与ENIAC（埃尼阿克）计算机的研制工作。在交谈中，他告诉了诺伊曼有关的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼立即为这一研制计划所吸引，他意识到了这项工作的深远意义。

说到计算机，先溯源一下历史。早在1642年，法国数学家帕斯卡就曾发明机械式加减法器（为了纪念他，一种编程语言命名为Pascal）；1673年德国数学家莱布尼茨制成机械式计算机，更能进行乘除运算，是为手摇台式计算机的先声。1834年，英国数学家巴贝奇（Charles Babbage，1791-1871）别出心裁地设计了一种程序控制的分析机，堪称现代计算机的雏形，但限于当时的技术条件未能实现。

进入20世纪30年代，由于技术的发展和巨量计算的需要，德英美等国都在进行计算机的开拓工作。德国人朱赛（Konrad Zuse，又译楚泽，1910-1995）最先采用电气元件制造计算机。他于1941年制成的全自动继电器计算机Z-3，这是一种机电式计算机，已具备浮点记数、二进制运算、数字存储地址等现代计算机的特征。不过，继电器的开关速度大约为1/100秒，使计算机的运算速度受到很大限制。

要提高速度，电子计算机就登场了。它的开拓过程，经历了从部件到整机，从专用机到通用机，从“外加式程序”到“存储程序”的演变。1938年，美籍保加利亚学者阿塔纳索夫（John Atanasoff，1903-1995）首先制成电子计算机的运算部件。1943年英国数学家、计算机理论先驱图灵（Alan Turing，1912-1954）等人研制成专用计算机，用来破解德军最高司令部的密码，在二战中立下汗马功劳。

而ENIAC，即电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer）的缩写，最初也计划专门用于火炮弹道计算。后经改进成为世界第一台电子计算机。ENIAC机研制组由总设计师莫奇利（John Mauchly，1907-1980）和总工程师埃克特（John Eckert，1919-1995）领导，1943年开始在费城宾夕法尼亚大学莫尔学院研制，所以费城堪称电子计算机的故乡。1946年2月，ENIAC试制成功。这台计算机装有18000个电子管，重30吨，有几间房大小。运算速度比继电器计算机快1000倍，每秒可进行5000次加法。这个庞然大物是从袖珍计算器到巨型机整个计算机家族的始祖。ENIAC问世后，一位科学家赞誉这是诞生了一个电子的大脑。电脑的名称从此就流传开了。正是费城研制的这台“电脑”，揭开了人类社会迈入信息时代的历史帷幕。

就在ENIAC接近完成的时候，诺伊曼由戈德斯廷介绍参加ENIAC机研制小组，作为顾问。诺伊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。他认为ENIAC证明电子技术可以大大地提高计算技术，不过，该机还存在某些先天性的缺陷。1945年6月，诺伊曼主持制定了一个全新的“离散变量自动电子计算机设计方案”，即EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer的缩写，音译埃德伐克）。诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的方案报告。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，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。

新的方案中，诺伊曼对电子计算机的改进提出大量建议，核心内容有两点：

第一，明确规定用二进制替代ENIAC所用的十进制运算，诺伊曼根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。

第二，新研制的计算机应该是“程序内存”式的，而不是像ENIAC那样的外加式用插板，那样太繁琐。应预先编制好计算程序，程序指令（用数字表示）和数据都存储起来。解题时，由计算机按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。程序内存将使全部运算成为真正的自动过程。这种程序从“外加式”到“内存式”，是电子计算机发展史上的一次质的飞跃。这种设计思想导致了硬件和软件的分离，即硬件设计和程序设计可以分开执行，这就催生了程序员这个职业的诞生。

新的方案明确规定，EDVAC计算机必须具备五大部件，包括：

完成数据加工处理的运算器(ALU)，

控制程序执行的控制器（CU），

记忆程序和数据的存储器（Computer memory），

输入数据和程序的输入设备（Input Device），

输出处理结果的输出设备（Output Device）。

其中运算器、控制器和临时存储寄存器共同构成中央处理器 (CPU)。CPU 连接到存储器，该存储器包含将要由CPU处理和操作的所有数据。CPU还连接到输入和输出设备，供人们根据需要更改数据，并检索运行程序的结果。

ENIAC虽然是第一台电子计算机，却不是第一代电子计算机。按照诺伊曼架构设计的EDVAC型电子计算机，最早于1949年在英国剑桥大学制成，这才是第一代电子计算机，主持人是诺伊曼培训班的英籍学员。该机只用了3000个电子管，体积比ENIAC小得多，但存储量却增加了，使用也更加方便。至此，电子计算机发展的萌芽阶段遂告结束，开始了现代计算机的发展时期。

第一代电子计算机使用电子管，第二代使用晶体管，第三代使用集成电路，第四代使用大规模集成电路，虽然经过几次更新换代，计算机性能一代代提升，但就其基本结构而言，仍然属于诺伊曼架构。直到今天，它仍是当今大多数通用计算机的运行方式，几乎没有改变。

对数学和其他领域的杰出贡献

诺伊曼是个科学全才，一生的研究涉及科学的许多领域。他的文集中，收集了150多篇论文，其中约60篇是纯数学，20篇属于物理学，60篇属于应用数学（包括统计学、博弈论以及计算机理论等等）。

数学方面如数理逻辑、集论与代数、实变函数、测度理论、拓扑学与连续群、数学分析等等，他都有贡献。

在早期的职业生涯中，诺伊曼为新兴的量子力学领域做出了重大贡献。他1930年撰写的《量子力学的数学基础》至今是这一领域的标准著作。他创造了算子环理论，即所谓的冯·诺伊曼代数，现已成为研究量子物理的强有力工具之一。

诺伊曼还将博弈论确立为一门严谨的数学学科，被后人称为 “博弈论之父”。他与人合写的《博弈论与经济行为》是博弈论学科的奠基性著作，这也使他成为数理经济学的奠基人之一。

诺伊曼的数学造诣也惠及气候科学。1950年，他编写了第一个气候建模程序，在计算机上使用观测数据进行了世界上第一个气象预测。诺伊曼预计，全球变暖是人类活动的结果，他在1955年写道：“工业燃烧煤和石油释放到大气中的二氧化碳，可能已经充分改变了大气的成分，导致全球普遍变暖约1华氏度。”

晚年，诺伊曼还在研究自动机理论，撰写对人脑和计算机系统进行精确分析的著作《计算机与人脑》。1957年2月8日，他因癌症英年早逝，年仅54岁。他被安葬在新泽西州的普林斯顿公墓(Princeton Cemetery)。关于诺伊曼的癌症是否与他在“曼哈顿计划”期间遭受核辐射有关，人们一直存在争议，但毫无争议的是，人类过早地失去了当代最伟大的科学巨人之一。