冯·诺依曼：从神童到电子计算机之父

回望二十世纪科学技术领域的辉煌历程，可谓群星璀璨，涌现出一批杰出的科学技术研究者，比如大家所熟知的物理学家霍金、创立了量子力学的普朗克（Max Planck）、提出了相对论和量子理论的爱因斯坦（Albert Einstein）、两次获得诺贝尔奖的居里夫人（Marie Curie）等。但是这些极负盛名的研究者中被认为拥有天才智慧的人并不多，而冯·诺依曼就是其中一个。

约翰·冯·诺依曼，美籍匈牙利人，是二十世纪最伟大的数学家、物理学家、化学家、计算机科学家之一，他在现代计算机、博弈论等众多领域做出许多杰出贡献，是一位非常难得的科学研究全才，被后人称为“电子计算机之父”。

冯·诺依曼1903年出生于匈牙利布达佩斯的一个犹太家庭，其父亲是银行家，属于匈牙利的名门望族，在这种家庭环境中出生的冯·诺依曼从小便接受了精英式的良好教育。然而他也是极聪明的，他具有异于常人的敏捷思维，读书更是过目不忘，是个充满灵气的漂亮小孩。冯·诺依曼六岁时能心算做八位数除法，八岁时掌握微积分，十二岁就读懂领会了波莱尔的大作《函数论》要义^[6]，表现出过人的数学天赋。美国著名物理学家维格纳（Eugene Paul Wigner）在获得诺贝尔奖后接受采访时，提到了和他一起在布达佩斯长大的冯·诺依曼，他说：“不管一个人多么聪明，和他（冯·诺依曼）一起长大就一定有挫折感。”

由于当时数学并不是热门研究领域，在冯·诺依曼将要读大学之际，其父亲出于对他前途的考虑，希望他能攻读化学专业，可是冯·诺依曼不愿放弃自己喜爱的数学研究。于是父子俩达成协议，冯·诺依曼在1921年进入德国柏林大学（1923年又进入瑞士苏黎世联邦工业大学）学习化学，同时在布达佩斯大学注册成为数学研究方面的学生，但平时不在学校上课，只是每学期按时回来参加考试。天才自有天才的学习方法及令人折服的能力，大学期间虽然主要攻读化学，但冯·诺依曼常常利用空余时间钻研数学，一有想法就和学校教授及一些优秀的数学家交流联系，这亦是他能在没有上课的情况下却仍能将数学学好的重要缘由。1926年，冯·诺依曼拿到了苏黎世联邦工业大学化学专业的本科学位，同时也拿到了布达佩斯大学的数学博士学位。23岁的冯·诺依曼已经走在了数学、物理、化学三个领域的前沿。有一件趣事，冯·诺依曼在参加数学博士学位答辩时，他的老师只问了他一个问题：“你这件礼服很好看，是哪里的裁缝做的？”很多人在答辩时会措手不及地被老师提问各种专业相关问题，而冯·诺依曼却不需要经历这些盘问，因为他在当时已经是一位非常优秀的数学研究者了。

1927 —1929年间，作为数学讲师的冯·诺依曼，因先后发表了有关量子理论与代数方面的论述，引起了当时德国数学界的广泛关注。随后他前往美国普林斯顿大学任客座讲师，鉴于他过人的数学天赋和扎实的研究基础，冯·诺依曼仅用了两年时间便成了普林斯顿大学的终身教授。1933年，冯·诺依曼到普林斯顿大学新建的高等研究院工作，成为研究院最初六位教授之一（其中还包括爱因斯坦，冯·诺依曼是六位教授中最年轻的一位）。他一直在那里工作，过完了他的余生。(www.xing528.com)

这位天才学者与计算机结缘也是出于偶然。1944年夏天，冯·诺依曼在某个火车站候车厅候车时遇到了青年数学家、美国弹道实验室的军方负责人赫尔曼·哥德斯坦（Hermam Goldstine），哥德斯坦认出了当时已小有名气的冯·诺依曼，两人进行了深切的交谈。在交流过程中，哥德斯坦告诉冯·诺依曼自己正在参与一项名叫“ENIAC”计算机的研制工作，具有远见卓识的冯·诺依曼被这一研制计划吸引，对计算机研究产生了极大兴趣。正如哥德斯坦后来提到：“冯·诺依曼在见到ENIAC的那一瞬间改变了他的余生。”之后，冯·诺依曼把自己巨大的热情和天赋投入到计算机研制和运用的事业，现在一般认为当年的ENIAC是世界第一台电子计算机。1945年，冯·诺依曼和他的团队发布了一个《存储程序通用电子计算机方案》，即EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。冯·诺依曼凭借其雄厚的数理基础知识和强大的逻辑思维能力，以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告，^[7]在其中详细介绍了电子计算机制造和相关程序设计的研究路径。正是因为这份报告，普林斯顿高等研究院批准冯·诺依曼指导研制新的计算机，这份报告在计算机发展史上具有划时代意义，它奠定了现代计算机系统结构的基础，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。

冯·诺依曼在计算机领域的主要贡献在于提出了二进制思想与程序内存思想。EDVAC方案明确提出新机器应该由五个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。此外，冯·诺依曼早就意识到在计算机研究中采用数学十进制的弊端：不但会造成电路复杂、机器体积过大，还会使机器的可靠性降低。他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。二进制具有十进制不可比拟的优点：运算电路简单，能大大简化机器的逻辑线路，机器的可靠性也会明显提高。关于程序内存思想，依据冯·诺依曼的想法，可以把计算机程序和数据都以二进制的形式统一存放到存储器中，然后由机器自己执行并完成任务。在这个工作流程中，不同的程序能解决不同的问题，实现计算机的通用计算功能。实践证明了冯·诺依曼设想的正确性，计算机的基本工作原理就是存储程序和程序控制，这在计算机发展史上具有里程碑意义。1946年，英国剑桥大学的威尔克斯（Maurice Wilkes）等人依据冯·诺依曼的理论思想成功研制出世界第一台实际运行的存储程序式电子计算机——EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator）。当今人们使用的计算机仍然遵循着冯·诺依曼提出的计算机的基本工作原理，他本人也被后人称为“电子计算机之父”。

然而天妒英才，1955年夏天，冯·诺依曼被查出患有癌症。即使在生命的最后几年，他仍然不停工作，不断研究思考。他结合早年对逻辑的相关研究，把眼界扩展到一般自动机理论，发现了计算机和人脑机制具有某些类似点。但非常遗憾的是，冯·诺依曼在1957年病逝，他未完成的关于机器和人脑的著作，在其逝世后被整理成《计算机和人脑》出版。虽然冯·诺依曼的一生比较短暂，但他在人类社会发展史上留下的光辉灿烂的足迹却值得人们用心铭记。