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冯·诺依曼、爆轰物理和化学化工
热度 4 hushaoming 2018-1-27 08:20
冯 · 诺依曼 是 数学家,在 计算机 、 博弈论 等领域 成就斐然 而被称为科学全才 。但很少有人知道他对炸药爆轰物理作出的贡献,而该贡献与化学化工有关。 炸药引爆后,冲击波阵面激发化学反应放出能量,维持冲击波沿着炸药柱稳定传播,这个过程称为“爆轰”。爆轰物理是军工、民用爆破、核武器设计的基础。 1899 年,人们把爆轰波处理成化学反应驱动的冲击波,提出第一个爆轰模型来 计算炮弹炸弹土方爆破等工程问题。和同时代的麦克斯韦方程、洛伦兹变换公式等相比,这个模型在科学殿堂里是不起眼的灰姑娘,吸引不了王子们的目光。 局限于当时的化学发展水平,模型假设化学反应速度无限大,并忽略输运效应即忽略分子运动,这两个 化学缺陷成了 灰姑娘的一双 赤脚。 二战中设计原子弹要计算炸药爆轰驱动铀块,爆轰物理顿时身价百倍成了美国《曼哈顿计划》的重头戏,吸引来包括诺依曼在内的大批顶级学者。灰姑娘走进了王宫,迎接她的是王室最苛刻挑剔的目光。天生丽质的灰姑娘赤脚站在红地毯上,王子出手了。 二十世纪 40 年代化学反应动力学已经成熟,人们认识到化学反应速度不可能无限大,改进爆轰模型的客观条件已经具备。爆轰物理是复杂的力学过程,除化学知识外还要求很高的数学水平,于是上帝说“让诺依曼降生吧”。先送他去苏黎世联邦工业大学主攻化学,又到布达佩斯大学拿数学博士,再让希特勒发动二战促使美国制造原子弹,给诺依曼创造机会去洛斯阿拉莫斯实验室研究炸药爆轰。上天如此安排,诺依曼岂有不成功之理!他将有限化学反应速度的概念植入原有的力学体系,克服了反应速度无限大的化学缺陷。灰姑娘穿上了一只漂亮的水晶鞋,原子弹试验成功的闪光是为她绽放的婚礼焰火! 新爆轰模型称为 ZND 模型。 Z 是前苏联人, N 是美国人诺依曼, D 是德国人。相同的时间相同的科研思路,说明 ZND 模型是科学发展的必然产物,是化学反应动力学成熟的结果;而让三位学者分处于战时敌对的三个国家,让中情局、克格勃和盖世太保为他们技术保密,乃是上帝用心奇巧,免得日后大师们争成果伤了和气。 ZND 模型是爆轰科学发展的里程碑,写入了爆轰教科书,成为现代爆轰科学的理论基础。然而在介绍诺依曼学术成就的材料中,很难找到有关爆轰物理的文字。不会是因为 SCI 没有收录,那时 SCI 这个神器还未发明。也不会是因为爆轰物理冷门宣传不够,美国“两弹一星工程” 当年也是重中之重、妇孺皆知。大概是洛斯阿拉莫斯实验室年终考核表格太小, 《诺依曼计算机结构体系》《诺依曼稳定性理论》等成果占满了,《爆轰模型》没地方填。 更有趣的是,诺依曼在爆轰界也“知名度不高”:人人皆知 N 提出了 ZND 模型,但不是每个人都知道 N 就是“那个”大名鼎鼎的诺依曼,当然更不了解他还有什么“其它成果”。这也难怪,诺依曼在爆轰界从业时间太短,从天而降留下 ZND 模型便飘然而去,没留下几篇高影响因子论文,在圈子里脸都还没混熟。 诺依曼引入爆轰模型的化学反应速率项为 d λ∕ dt, 表明转化率 λ 是时间 t 的函数。十九世纪末的爆轰人还不理解这个微分式的化学意义,二十世纪的化学化工系学生已经是基本常识。给爆轰模型送上这样一只水晶鞋,让爆轰科学永远记住了诺依曼的名字。 限于当时化学化工科学发展水平, ZND 模型继续忽略输运效应。诺依曼没能克服爆轰模型的第二个化学缺陷,灰姑娘还赤着一只脚。二十一世纪的今天,化学化工系学生都能处理输运效应,这已经是本科基础课《传递现象》讲授的内容。爆轰物理又该前进了。 输运效应指粘度、扩散和热传导。流体力学模型考虑输运效应难度很大,只考虑粘度的奈维 - 斯托克斯方程二百年没得到解析解,同时考虑粘度、扩散和热传导的方程更难处理,若考虑湍流则还要复杂。而爆轰现象这“五毒俱全”外还要再加上化学反应!十九世纪末的爆轰界毫无办法只能视而不见一概忽略。 由于输运效应在化学工程中的特殊作用,二十世纪后半叶成为化工界的研究重点。化工界将输运效应称作传递现象,即动量传递、质量传递和热量传递,简称 三传 。化工界深刻掌握了三传的基本规律,作为标志的 Bird 的开山之作《传递现象》 1960 年正式出版。化工界还深入研究了三传对化学反应的影响,形成一门全新的学科—— 化学反应工程 , 1957 年正式定名。三传和化学反应工程一起统称 三传一反 ,它的迅猛发展成了二十世纪后半叶化学工程科学进步的标志。 然而诺依曼已乘鹤西去。大师再有天赋,也免不了历史造成的局限。 斗转星移,今天“三传一反”已是化工系本科生的专业基础课,爆轰界却还在坚持“忽略输运效应”百年不动摇! 化学化工人又该出手了。 江山代有才人出。在化学化工系学生中,愿上帝再降生一个数学博士诺依曼,给爆轰模型送上第二只水晶鞋。 参考文献 (本刊讯)爆轰理论的新进展.科学通报201156(36)p3122.pdf
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第2机器时代 - 工业5.0
benlion 2016-5-1 12:39
人类文化知识:1)宗教和国学,属于个体与社会的组织与管理范畴;2)经济与工业的发展,则在于科学和艺术(人文) - 系统遗传学与绘画设计。 天然与人工生物系统的网络分析与系统合成,包括:1)理论与计算生物学的数学模型;2)实验与技术生物学的工程模型。 从手工业作坊,分别走向实验室和工业制造2个方向的模式转换,实验科学研究与机器工业应用的偶合,导致了工业1.0到4.0技术。 从认知与人工科学到系统与合成生物学,形成4S科学和Nieb技术的学科综合与技术集成体系,实验医学发展到系统医学的循证与转化模式。 从诺伊曼和图灵的决策科学和人工智能,到细胞纳米机器(硬件与软件)和生物能源发展,突破的是化学工业与生物制造 -工业5.0。 - (1996年-2016年纪念)- 附:1998年迪克森·德斯彭米耶文(Dickson De-spommier)提出垂直农场的概念( http://news.bioon.com/article/6655905.html?from=timelineisappinstalled=0 )。
个人分类: 工业化科学|1852 次阅读|0 个评论
冯.诺依曼架构在新人工智能时代的进化
热度 2 liufeng 2015-12-28 21:38
说起冯·诺依曼架构,就不得不说起图灵机(Turing Machine),图灵机是英国数学家阿兰·图灵(Alan Turing)于1936年提出的抽象计算模型,图灵机是一台存在于大脑中的计算机,拥有一个无限长的磁带,根据输入和一个状态迁移表确定下一步动作。   计算机先驱者以图灵机为模型制造了第一代计算机,其中比较知名的是美国军方的ENIAC计算机,这个计算机几乎完全克隆了图灵机的设计,ENIAC程序是在多组插板上的跳线,形成了类似于图灵机的状态迁移图,为了完成这个程序,需要好几个人工作一周才能完成,然后这个程序就可以处理多组数据输入并生成结果。   冯·诺依曼意识到这种编程方法非常低效,因此就设想能够将程序存储起来,形成“存储程序型”电脑,这种电脑的特点是将程序和数据都加载到内存中,将数据和程序转移到ALU(算术逻辑单元)和控制器进行计算,当然ALU也具有输入输出装置。冯·诺依曼架构的特点是非常简洁,不需要在内存和CPU(中央处理器)之间设置多条总线【1】 冯.诺依曼架构 新人工智能时代的AI威胁论和产生的标准智能模型 本世纪以来,随着互联网大数据的兴起、信息的爆炸式增长、深度学习等机器学习算法在互联网领域的广泛应用,人工智能再次进入快速发展时期。与此同时,不同领域的科学家,企业家如物理学家霍金,微软创始人比尔盖茨等人,纷纷对人工智能的未来表达了担心,提出人工智能的快速发展可能对人类本身产生威胁,由于这些科学家,企业家具有很强的影响力,人工智能威胁论因此得到广泛传播。 人工智能威胁论不仅仅是一个引发巨大争议的社会热点问题,其背后更是一个人工智能系统能否定量评测的课题。在上一篇文章“ 开展AI智商测试应首先建立统一人和机器的标准智能模型 ”中“ 重点阐述了建立标准智能模型,尝试 统一概括 人,生命体,机器人,人工智能系统的特征”。如下图所示: 图3 标准 智能 系统 模型示意图 这个模型有如下特点: 特征1 能够通过声音、图像、文字等方式(包括但不仅限于这三种方式)从外界获取数据,信息和知识的能力。 特征 2 能够将从外界获取的数据、信息和知识转化为系统掌握知识的能力。 特征3 能够根据外界数据、信息和知识所产生的需求,通过运用所掌握的知识进行创新的能力,这些能力包括但不仅限于联想、创作、猜测、发现规律等,这种能力运用的结果可以形成自身掌握的新的知识。 特征 4 能够通过声音、图像、文字等方式(包括但不仅限于这三种方式)将系统产生数据,信息和知识反馈给外界或对外界进行改造。 标准智能系统如何与外部世界以及相互之间进行知识的交互,我们用下图进行阐述: 图4标准智能系统与外部世界交互图 新人工智能时代, 冯 ·诺 依曼架构的进化 我们在 上文中 提到,冯·诺依曼架构有五个构成部分,分别是计算器、逻辑控制装置、存贮器、输入系统、输出系统。对比我们在 图3 和 图4 描述的标准智能模型和标准智能模型知识交互图,可以发现冯 ·诺 依曼架构在互联网条件下的新人工智能时代可以补充两个部分,通过这种补充,试图将人,机器,人工智能系统用一个更为明晰的方式表示出来。 第一个是创新创造功能,即能够根据已有的知识,发现新的知识元素和新的规律,使之进入到存储器,供计算机和控制器使用,并通过输入输出系统与外部进行知识交互; 第二个是能够进行知识共享的外部知识库或云存贮器,而冯 . 诺依曼架构的外部存储其只为单一系统服务。 因此对冯诺·依曼架构进行扩展,形成如图 5 所示的新架构 图5 统一人和机器的新冯诺依曼架构 参考资料 1.赛先生
个人分类: 互联网进化论|7524 次阅读|2 个评论
纳米细胞机器 – 第4类型生物计算机
benlion 2015-11-1 00:46
个人分类: 系统生物学|1996 次阅读|0 个评论
回姜咏江老师什么叫做科学上实现突破
热度 10 gaoshannankai 2015-1-16 18:29
看到姜咏江老师一篇博文, 到底什么是冯·诺伊曼结构? http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=340399do=blogid=859942#quickcommentform_859942 对国内大量所谓突破冯诺依曼结构的计算机爱好者进行了批评。 请注意,我用的是计算机爱好者,而不是研究人员,因为他们没有资格。 文章写得很好,说的都是事实,不过太罗嗦 用一句话来说,冯诺依曼最大贡献,是什么?就是存储“指令”。不要搞那么啰嗦。 对一个事物的理解,要抽取其最核心的东西,对于其他不重要的可以忽略,冯诺依曼的核心贡献,就是他提出了,“指令”也可以像数据一样存储, 反复使用,当时其他人没有想到,至于其他的都不是重点,也不是老冯首创。 诺依曼结构和哈佛结构的区别也是一句话,后者是分开存数据和指令,前者不是。 姜老师 文中本来想用这个例子说明很多东西不是所谓突破 ,结果叙事啰嗦,而且里面也确实有些资料不是 很准确(我个人认为),所以被另外一个老师抓了小辫子。不过我认为那些资料与姜老师博文主题无关。 在科学上,基本原理的颠覆恐怕要几百年或者上千年,中国人经常喜欢把算盘当做计算机的鼻祖,如果硬要拉郎配,算盘最大的贡献,就是通过珠子左右的顺序能够实现进位,这就是核心,这个基本原理,到目前我们任何一台数字式计算机突破了么?如果这个问题看不清楚,搞什么科学研究,搞笑把。 冯诺依曼敢说自己突破了算盘的基本原理么,我觉得他不敢,因为真正有突破的人才知道 自己只不过是站在前人的工作上的改进。 所以,很多人喊了半天计算机鼻祖是算盘,我去问他们核心是什么,好多人说不出来。 不信大家去测一下周围搞计算机的人,其实很简单,就是左右排序来实现进位的概念, 就这么简单,你学明白了,就是一句话,你没学明白,就总能搞突破。 文老师讲了一下手指头也可以模拟进位,屈表示0,伸表示1,这个想法很好。 但是,手指头一来不能独立动某一个,二来不能快速置位和复位, 聪明的中国人找到了珠子和棍子,让珠子可以极其快速的置位和复位,是手指头运动 速度的成百上千倍,这个提高不亚于从算盘升级到触发器电路的速度。那么这个针对于 用手指头或者纸+笔也只是技术上的重大突破, 而且5个手指头最大表示32,算盘 理论上可以无限延长表示无穷大的数据,这个在当时也是技术重大突破。 中国古代 人口和经济总量的规模,特别是国家财政的规模,如果没有这个算盘支持,早就 崩溃了。 我觉得当前科研99.99%的工作都不是突破,大部分就是整合,改进或者提高。 特别是19世纪末到20世纪初科学大爆发这段时间,很多基本理论都确定了, 科学各学科基本框架都已经形成。 我各位有生之年,可能最多就是遇到技术突破或者颠覆,科学上很难有突破, 也就不会出现所谓的科学家,或者说科学家现在等同了一一般的科研工作者。 根据我的经验,科学上的大师都是化繁为简,什么东西都可以1-2句话高度概括, 抽取最本质东西,细节留给其他人去品味。 顺便加一些内容,在我们生物领域,总有不要脸的说自己颠覆了进化论, 比如大日本帝国有个家伙提出中性进化,还有其他一些进化模型,总之 这些混蛋就是不明白自己只是在进化论的基础上,给予更精确描述, 怎么可能对基本原理进行颠覆。 能颠覆进化论的只有神学,上帝造人,人家那叫颠覆,那才是真牛逼。
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Selected English readings for recitation: Von Neumann
热度 1 josh 2013-4-5 22:55
转载注:选自冯 诺依曼的一篇短文《The Mathematician》。之下的几段,算是关于“理论与实践的脱节”吧。可惜没找到中文翻译。 As a mathematical discipline travels far from its empirical source, or still more, if it is a second and third generation only indirectly inspired by ideas coming from reality it is beset with very grave dangers. It becomes more and more purely aestheticizing, more and more purely I'art pour I'art. This need not be bad, if the field is surrounded by correlated subjects, which still have closer empirical connections, or if the discipline is under the influence of men with an exceptionally well-developed taste. But there is a grave danger that the subject will develop along the line of least resistance, that the stream, so far from its source, will separate into a multitude of insignificant branches, and that the discipline will become a disorganized mass of details and complexities . In other words, at a great distance from its empirical source, or after much abstract inbreeding, a mathematical subject is in danger of degeneration. At the inception the style is usually classical; when it shows signs of becoming baroque, then the danger signal is up. It would be easy to give examples, to trace specific evolutions into the baroque and the very high baroque, but this, again, would be too technical . In any event, whenever this stage is reached, the only remedy seems to me to be the rejuvenating return to the source: the re-injection of more or less directly empirical ideas. I am convinced that this was a necessary condition to conserve the freshness and the vitality of the subject and that this will remain equally true in the future. Von Neumann: The Mathematician
个人分类: The Art of Learning and Research|2770 次阅读|2 个评论
专题讨论班:热场动力学(二)(刘彤)
热度 1 GrandFT 2011-9-28 18:47
题目:热场动力学(二) 主讲:刘彤 时间:2011年09月30日 星期五 14:30 地点:16楼308 主要内容: 1. 波浪共轭映射与波浪共轭规则 2. 刘维尔——冯 诺依曼方程与密度矩阵 3. 与热场动力学有关的波戈留波夫变换的详细推导
个人分类: 专题讨论班|3223 次阅读|2 个评论

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