被遺忘的計(jì)算物理學(xué)先驅(qū)者

當(dāng)我們回顧計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期階段時(shí)，一些熟悉的名字會浮現(xiàn)出來，其中包括馮·諾依曼(John von Neumann)、梅特羅波利斯(Nicholas Metropolis)和費(fèi)曼(Richard Feynman)。但他們并非孤獨(dú)的先驅(qū)者——他們是一個(gè)更龐大群體的一部分。這個(gè)群體先使用機(jī)械計(jì)算機(jī)，隨后使用電子計(jì)算機(jī)，完成了此前從未實(shí)現(xiàn)的計(jì)算。

這些人(其中包括許多女性)是最早的科學(xué)程序員和計(jì)算科學(xué)家。她們精通早期計(jì)算設(shè)備復(fù)雜而繁瑣的操作，往往擁有數(shù)學(xué)或科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)位，是科研工作中不可或缺的一部分。然而，她們所做出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，卻大多被遺忘了。

這種被忽視，部分原因在于她們的性別。那是一個(gè)性別歧視盛行的年代，女性在結(jié)婚后被解雇幾乎成了常態(tài)。然而，還有一個(gè)同樣重要、卻經(jīng)常被忽略的因素，即便在今天的科學(xué)界也不例外——技術(shù)崗位上的從業(yè)者仍然得不到應(yīng)有的重視與認(rèn)可，盡管正是她們讓科研順利進(jìn)行。

被忽視的身影。MANIAC是一臺可編程計(jì)算機(jī)，于1952年至1958年間在美國的洛斯阿拉莫斯建造并投入使用。負(fù)責(zé)運(yùn)行的是一支由科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師組成的大型團(tuán)隊(duì)。然而，在關(guān)于這一重要項(xiàng)目的記錄中，后兩類人——其中許多人是女性——卻往往被忽略

人類計(jì)算員與機(jī)械計(jì)算機(jī)

最初，“computer”指的是人，是用手工或借助機(jī)械計(jì)算器來完成計(jì)算的人。據(jù)信，世界上第一個(gè)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室于1937年建立于美國的哥倫比亞大學(xué)。但直到第二次世界大戰(zhàn)，計(jì)算需求才真正爆發(fā)。這源于火炮彈道計(jì)算、新技術(shù)研發(fā)以及密碼破譯的迫切需要。

人類計(jì)算機(jī)。“computer”這一術(shù)語最初指的是用手工進(jìn)行計(jì)算的人。圖中，Kay McNulty、Alyse Snyder和Sis Stump正在賓夕法尼亞大學(xué)摩爾電氣工程學(xué)院地下室操作微分分析機(jī)，時(shí)間約為1942年至1945年

在美國，曼哈頓計(jì)劃(1943年成立)期間的原子彈研發(fā)，需要巨大的計(jì)算工作量。因此，新墨西哥州的研究基地很快就組建了一支手工計(jì)算小組。該小組隸屬于理論部，稱為T-5小組，最初大約有20人。成員中大多數(shù)是女性，其中包括其他科研人員的配偶。她們之中有數(shù)學(xué)家Mary Frankel，她的丈夫是物理學(xué)家Stan Frankel；還有數(shù)學(xué)家Augusta “Mici” Teller，其丈夫是被稱為“氫彈之父”的泰勒(Edward Teller)：以及Jean Bacher，她的丈夫是物理學(xué)家Robert Bacher。

隨著戰(zhàn)爭的持續(xù)，T-5小組不斷擴(kuò)充，新成員包括來自附近城鎮(zhèn)的平民，以及美國女子陸軍部隊(duì)的成員。工作人員晝夜不停地工作，每四小時(shí)輪班一次，依靠印刷好的數(shù)學(xué)表和桌面計(jì)算器完成計(jì)算。但即便如此，仍然無法滿足原子彈研發(fā)對計(jì)算的巨大需求。1944年初春，IBM穿孔卡片機(jī)被引入用以補(bǔ)充人力計(jì)算的不足。這些機(jī)器效率極高，很快便被用于所有大型計(jì)算任務(wù)，它們?nèi)?4小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，分三班進(jìn)行。

計(jì)算小組繼續(xù)壯大，新加入的成員中包括Naomi Livesay和Eleonor Ewing。Livesay擁有數(shù)學(xué)高等學(xué)位，并接受過IBM電動計(jì)算機(jī)的操作與編程培訓(xùn)，因此成為T-5部門的理想人選。隨后，她又招募了Ewing，Ewing同樣是數(shù)學(xué)家，這兩位年輕女性負(fù)責(zé)全天候監(jiān)管IBM計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。

T-5小組這種緊張而高強(qiáng)度的工作節(jié)奏，一直持續(xù)到1945年9月戰(zhàn)爭結(jié)束。原子彈的研制需要極其龐大的計(jì)算工作量，而正是通過人工計(jì)算與穿孔卡片計(jì)算，這一切才得以實(shí)現(xiàn)。

電子計(jì)算機(jī)

二戰(zhàn)結(jié)束后不久，第一臺完全電子化、通用的計(jì)算機(jī)——電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)(ENIAC)——在賓夕法尼亞大學(xué)投入運(yùn)行。該項(xiàng)目歷時(shí)兩年完成，由物理學(xué)家John Mauchly和電氣工程師J. Presper Eckert領(lǐng)導(dǎo)。這臺機(jī)器的運(yùn)行與編程工作由6位女性承擔(dān)。

世界第一。ENIAC是世界上第一臺可編程的、電子化的、通用數(shù)字計(jì)算機(jī)。它于1945年在美國陸軍彈道研究實(shí)驗(yàn)室建成，1946年遷至賓夕法尼亞大學(xué)。最初負(fù)責(zé)其編程與操作的6人團(tuán)隊(duì)全部為女性，其中包括Betty Jean Jennings(照片左)和Frances Bilas(照片右)。圖中她們正在為1946年2月的演示日做準(zhǔn)備

博學(xué)多才的學(xué)者馮·諾依曼也參與其中。當(dāng)時(shí)，他正在為1947年于美國新墨西哥州成立的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室尋找更強(qiáng)的計(jì)算能力。事實(shí)上，盡管ENIAC最初是為解決彈道軌跡問題而設(shè)計(jì)的，但它運(yùn)行的第一個(gè)計(jì)算任務(wù)卻是“洛斯阿拉莫斯問題”。這是一項(xiàng)由泰勒團(tuán)隊(duì)提出的熱核可行性計(jì)算，用于研究氫彈。

與曼哈頓計(jì)劃類似，ENIAC項(xiàng)目中也有多對夫妻檔共同工作。其中最著名的是馮·諾依曼及其妻子Klara Dán von Neumann，以及數(shù)學(xué)家Adele Goldstine和Herman Goldstine。Dánvon Neumann尤其與Nicholas Metropolis密切合作。后者與數(shù)學(xué)家Stanislaw Ulam一起，創(chuàng)造了“蒙特卡羅”這一術(shù)語，用來指代基于隨機(jī)抽樣的數(shù)值方法。事實(shí)上，在1948年至1949年間，Dán von Neumann 和 Metropolis在電子計(jì)算機(jī)上完成了第一批蒙特卡羅模擬計(jì)算。

1948年，洛斯阿拉莫斯開始研制一臺新型計(jì)算機(jī)——數(shù)學(xué)分析數(shù)值積分與自動計(jì)算機(jī)(MANIAC)。1952年3月，這臺機(jī)器完成了首次大規(guī)模流體力學(xué)計(jì)算。它的使用者中有許多是物理學(xué)家，而其操作與編程人員則包括很多女性數(shù)學(xué)家。

早期算法

洛斯阿拉莫斯的科學(xué)家們在MANIAC上嘗試了各種各樣的項(xiàng)目，其中甚至包括一個(gè)下棋程序。這是有記錄以來，機(jī)器首次在棋類游戲中擊敗人類。不過，其中有兩個(gè)項(xiàng)目尤為突出，因?yàn)樗鼈儗τ?jì)算科學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

1953年，泰勒夫婦與Metropolis，以及物理學(xué)家Arianna Rosenbluth和Marshall Rosenbluth夫婦共同發(fā)表了奠基性論文《利用快速計(jì)算機(jī)進(jìn)行狀態(tài)方程計(jì)算》(Equation of state calculations by fast computing machines)，這項(xiàng)工作提出了后來被稱為“Metropolis算法”(隨后更名為Metropolis—Hastings算法)的核心思想。這是一種基于“重要性采樣”概念的蒙特卡羅方法。(盡管Metropolis參與了蒙特卡羅方法的發(fā)展，但看起來他并未直接參與該論文的寫作，而是提供了MANIAC夜班計(jì)算資源。)這一算法成為馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法的源頭，而后者如今已廣泛應(yīng)用于科學(xué)與工程領(lǐng)域。

Marshall后來回憶說，這項(xiàng)研究源于他與Arianna提出的一個(gè)想法。他們建議利用MANIAC來研究固體是如何熔化的。與此同時(shí)，泰勒提出，應(yīng)當(dāng)采用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，與其逐一追蹤每個(gè)粒子的詳細(xì)運(yùn)動，不如對體系取系綜平均。在最初階段，其他人也協(xié)助完成了編程工作，不過大部分具體研究由Rosenbluth夫婦完成。其中，Arianna負(fù)責(zé)將這些物理概念轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)為算法。

這篇1953年的論文意義非凡。它不僅催生了Metropolis算法，也是最早利用數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬物理體系的實(shí)例之一。這項(xiàng)工作的主要創(chuàng)新在于發(fā)展了“重要性采樣”。該方法不再從完全隨機(jī)的構(gòu)型中取樣，而是有傾向地選擇在物理上更重要、對積分貢獻(xiàn)更大的構(gòu)型上采樣。

此外，這篇論文還引入了另一項(xiàng)計(jì)算技巧，即“周期性邊界條件”(PBCs；譯者注：此處原文時(shí)間有誤，PBCs方法最早由伯恩和馮卡門在1912年提出)。這是一組常用條件，通過一個(gè)稱為“晶胞”的小區(qū)域，來近似描述一個(gè)無限大的體系。重要性采樣和周期性邊界條件，后來都成為計(jì)算物理中的基礎(chǔ)方法。

高技能角色。操作ENIAC既需要分析能力，也需要扎實(shí)的技術(shù)技能。上圖：1946年，在摩爾電氣工程學(xué)院，Irwin Goldstein正在為ENIAC的一張函數(shù)表設(shè)置開關(guān)；下圖：約1946年，Gloria Gordon(蹲著)與Ester Gerston(站立)正在為ENIAC右側(cè)布線，加載一個(gè)新程序

1953年夏天，物理學(xué)家費(fèi)米(Enrico Fermi)、John Pasta、數(shù)學(xué)家Stanislaw Ulam、Mary Tsingou也利用MANIAC取得了一項(xiàng)重要突破。他們進(jìn)行了一次“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”，作為一個(gè)系列研究的一部分。這些研究旨在展示電子計(jì)算機(jī)在探索各種物理現(xiàn)象中的潛在用途。

研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)帶有微弱非線性的、一維振子鏈模型，希望檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否會如假設(shè)那樣演化，并最終達(dá)到一種平衡狀態(tài)，使能量在各個(gè)模式之間均勻分配。然而，最后的結(jié)果表明，在微小擾動條件下，這種結(jié)果并非必然出現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)既不平凡，也不直觀，如果沒有數(shù)值模擬，是無法預(yù)見的。這是物理學(xué)史上第一次，并非通過理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)手段，而是借助計(jì)算方法取得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。它后來引出了孤子和可積模型的發(fā)現(xiàn)，推動了混沌理論的發(fā)展，并加深了人們對遍歷極限的理解。

盡管論文中寫明這項(xiàng)工作由四位科學(xué)家共同完成，但Tsingou的貢獻(xiàn)卻被忽視了。相關(guān)成果長期以來被稱為“Fermi—Pasta—Ulam問題”。直到2008年，法國物理學(xué)家Thierry Dauxois在Physics Today 雜志上撰文，呼吁應(yīng)當(dāng)給予她應(yīng)有的署名，Tsingou的貢獻(xiàn)才終于得到正式承認(rèn)。如今，這一發(fā)現(xiàn)被稱為“Fermi—Pasta—Ulam—Tsingou問題”。

1953年，IBM的第一臺商用、全電子計(jì)算機(jī)——IBM701——也被引入洛斯阿拉莫斯。不久之后，理論部就擁有了兩臺這樣的機(jī)器。再加上MANIAC，科學(xué)家們第一次獲得了前所未有的計(jì)算能力。利用這些新設(shè)備的研究人員中，包括Martha Evans(關(guān)于她的資料至今所知甚少)以及理論物理學(xué)家Francis Harlow。他們開始著手研究一個(gè)當(dāng)時(shí)幾乎無人涉足的領(lǐng)域——計(jì)算流體力學(xué)。

這一方法的基本思路是把計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)絡(luò)單元，使用由網(wǎng)格單元組成的計(jì)算區(qū)域。流體被表示為粒子，并在這些單元之間運(yùn)動。這種計(jì)算方法使得在二維和三維條件下，求解復(fù)雜的流體力學(xué)問題成為可能，這些問題往往涉及流體的大幅變形和強(qiáng)烈壓縮。事實(shí)證明，該方法極其有效。它后來成為等離子體物理中的標(biāo)準(zhǔn)工具，被應(yīng)用于從天體物理等離子體到聚變能研究的幾乎所有相關(guān)課題。

最終形成的洛斯阿拉莫斯內(nèi)部報(bào)告《用于流體力學(xué)計(jì)算的粒子—網(wǎng)格方法》于1955年發(fā)表。報(bào)告將Evans列為第一作者，并對包括她在內(nèi)的8位人員在機(jī)器計(jì)算方面的工作表示了致謝。然而，之后Harlow被后人銘記為計(jì)算流體力學(xué)的奠基者之一，Evans的名字卻逐漸被歷史遺忘。

清晰分明的分工？

在女性幾乎無法進(jìn)入科研前沿的年代，戰(zhàn)爭中的計(jì)算需求卻將大量女性研究人員和技術(shù)人員帶入了研究體系。隨著她們的貢獻(xiàn)逐漸被看見，人們愈發(fā)清楚地認(rèn)識到，她們的角色絕非只是簡單的文書性工作。

2018年，物理學(xué)家Giovanni Battimelli 和 Giovanni Ciccotti 曾寫道，程序員的工作是“連接(程序員往往并不真正理解的)物理學(xué)家思想與(物理學(xué)家同樣也不熟悉的)計(jì)算機(jī)指令之間的關(guān)鍵紐帶”。然而，我們所看到的案例表明，這種看法并不全面。一些程序員對物理問題有著扎實(shí)理解，而一些物理學(xué)家也熟悉計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式。與其說存在“熟練與非熟練”或“男性與女性”的清晰分隔，不如說當(dāng)時(shí)的分工本就模糊不清。實(shí)際上，那更像是物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家與工程師之間高效而緊密的合作。

例如，即便在電子計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)的T-5小組早期階段，Livesay和Ewing也并非只是執(zhí)行者。例如，她們曾旁聽過馮·諾依曼的數(shù)學(xué)講座，并向他介紹穿孔卡片的操作方式。正如Ruth Howes和Caroline Herzenberg在《在陽光下的她們》(Their Day in the Sun)一書中所記載的那樣，她們還參加了由奧本海默及其他項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持的每周學(xué)術(shù)討論會。這些事實(shí)表明，她們不應(yīng)被簡單地視為對物理“一無所知”的人工計(jì)算員或機(jī)器操作員。Verna Ellingson是另一位被遺忘的程序員，關(guān)于她的資料所剩無幾，但她作為最后作者，署名出現(xiàn)在1955年的一篇論文中。該論文由她與Metropolis以及物理學(xué)家霍夫曼(Joseph Hoffman)共同撰寫。次年，她又作為第一作者，與數(shù)學(xué)物理學(xué)家Roger Lazarus、Metropolis 和 Ulam合作發(fā)表了文章。她還曾與物理學(xué)家伽莫夫(George Gamow)合作，嘗試破解DNA在選擇氨基酸時(shí)所使用的編碼機(jī)制。這些經(jīng)歷顯示了她所參與研究領(lǐng)域的廣泛性。

Evans不僅與Harlow合作開展研究，還參加了1959年關(guān)于自組織系統(tǒng)的學(xué)術(shù)會議。在會上，她就人類與機(jī)器學(xué)習(xí)的問題，向人工智能先驅(qū)FrankRosenblatt提出了質(zhì)詢。在那個(gè)女性很少出現(xiàn)在此類會議上的年代，她的出席本身就表明，我們不應(yīng)將她視為“只是一個(gè)程序員”。

鑒于她們廣泛而多樣的貢獻(xiàn)，Evans、Ellingson、Tsingou以及許多其他人，很可能都是名副其實(shí)的研究人員，甚至可能是最早的一批計(jì)算科學(xué)家。洛斯阿拉莫斯的歷史學(xué)家Nicholas Lewis指出：“這些女性所從事的工作，與今天洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室XCP(武器計(jì)算物理)部門的計(jì)算物理學(xué)家所做工作本質(zhì)上是一樣的。他們既需要對所研究的物理問題有深入理解，也需要知道如何將問題映射到所使用計(jì)算機(jī)的具體架構(gòu)上。”

曾被忽視，如今依然被忽視

無論是否被署名，這些開創(chuàng)性的女性及其貢獻(xiàn)，大多都被歷史遺忘了。直到近幾十年，她們的角色才再次浮出水面。但問題在于，她們當(dāng)初為何會被歷史遮蔽？

保密制度與性別歧視，似乎是其中最主要的原因。例如，Livesay因其女性身份，被禁止攻讀數(shù)學(xué)博士學(xué)位。而在許多科研夫妻搭檔中，團(tuán)隊(duì)成果往往被完全歸功于丈夫。1945年，曼哈頓計(jì)劃的存在才首次向公眾公布，但至今仍有大量涉及核武器的文件處于保密狀態(tài)。由于這些資料繼續(xù)保持秘密狀態(tài)，我們或許將永遠(yuǎn)無法了解這些先驅(qū)者貢獻(xiàn)的全部范圍。

但還有一個(gè)常被忽視的原因，那就是人們長期低估了計(jì)算科學(xué)家和科研軟件工程師所扮演的關(guān)鍵角色。“科研軟件工程師”這一稱謂，甚至直到十多年前才被正式提出。即便在今天，這些非傳統(tǒng)的科研崗位依然得不到應(yīng)有的重視。以英國軟件可持續(xù)性研究所在2022年進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查為例，只有59%的科研軟件工程師被列為論文作者，還有不到四分之一(24%)的人在致謝或正文中被提及，而約六分之一(16%)的人完全沒有被提到。

將“理解物理的人”與“編寫代碼、理解并操作硬件的人”區(qū)分開來，這種觀念可以追溯到計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期階段。但即便在當(dāng)時(shí)，這種劃分也并不完全準(zhǔn)確。那些負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的人，并不僅僅是程序員，或是熟練的超級計(jì)算機(jī)操作員，他們實(shí)際上是真正的跨學(xué)科科學(xué)家，對科學(xué)問題本身、數(shù)學(xué)原理、計(jì)算方法以及硬件體系都有深入理解。

無論性別是什么，正是這樣一群人在推動科學(xué)進(jìn)步中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，他們往往只是默默無聞的英雄，成就被他人所分享。這些被遺忘的計(jì)算物理先驅(qū)的故事，或許提醒我們，一些源自20世紀(jì)50年代的觀念，至今仍在影響著我們。而現(xiàn)在正是真正向前邁進(jìn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)

編輯：子木

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