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数学家传记

斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆Stanisław Ulam

出生
1909年4月13日 奥地利帝国加利西亚伦贝格(后为波兰利沃夫,今乌克兰利沃夫)
逝世
1984年5月13日 美国新墨西哥州圣菲

斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆是一位波兰裔美国数学家,解决了如何在氢弹中引发聚变的问题。他还设计了蒙特卡洛方法,广泛用于通过统计抽样解决数学问题。

完整传记

乌拉姆在当时的伦贝格一个富裕的波兰犹太家庭中长大。第一次世界大战后,该城更名为Lwów,现在称为利沃夫,位于乌克兰。他的父母是Józef 乌拉姆(1879-1941)和Hania Auerbach(1887-1938),后者被称为Anna。Jozef Ulam是一名律师,出生于Lwów。(尽管当时它实际上被称为伦贝格,但为简便起见,在本传记中我们始终称其为Lwów。)Józef的父亲,即Stan的祖父,是马克斯·亚伯拉罕 Berl 乌拉姆,他曾是一名建筑师和建筑承包商。Stan的母亲Anna出生于Stryj,这是伦贝格以南约65公里的一个城镇,现位于乌克兰。她的父亲Michael Auerbach是一位实业家,从事钢铁生意,并参与加利西亚和匈牙利的工厂。Jozef和Anna Ulam有三个孩子:斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆,生于1909年,即本传记的主角;Stefania Teofila 乌拉姆,生于1912年;以及Adam Bruno Ulam,生于1922年4月8日。我们将在下文叙述Stan的妹妹和弟弟的一些细节,但首先我们继续乌拉姆的传记。

第一次世界大战于1914年7月开始,到那年9月,俄军进攻加利西亚并很快占领了Lwów。乌拉姆一家逃往维也纳,住在圣斯蒂芬大教堂附近的一家旅馆。Józef 乌拉姆成为奥地利军队的一名军官,与大多数波兰人不同,这家人是同盟国的支持者。Józef的军队角色使这家人频繁旅行,Stan无法上学,因此他们为他聘请了一位家庭教师。他们唯一停留较长时间的地方是Ostrava,他在那里上了学。他在学校学习了乘法表,他觉得这段经历“有点痛苦”。在Lwów时,这家人讲波兰语,但Stan在奥地利期间学会了德语。1918年第一次世界大战结束后,这家人返回Lwów,住在Ulica Kosciuszko 16号。

遗憾的是,当1918年11月乌克兰士兵进攻Lwów时,他们再次发现自己身处战区。乌拉姆的家位于城市相对安全的区域,所有亲戚都来了,所以房子里挤满了30多人。地下室在炮击期间提供了安全,但这并没有持续多久,几周后波兰军队到达后就结束了。波兰作为一个独立国家已不存在100多年,但在1919年,它重生了,Lwów成为波兰的一个重要城市。

十岁时,乌拉姆进入Lwów的文理中学,大约此时,他先是对天文学感兴趣,然后对物理学感兴趣。当他大约12岁时,一位叔叔给了乌拉姆一台望远镜,后来乌拉姆试图理解阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论。然而,这需要数学知识,因此,在14岁时,他开始从书籍中学习数学,远远超出了他在学校学习的数学水平。他读的第一本数学书是莱昂哈德·欧拉Algebra,这是他在父亲的书房里找到的。他在采访[99]中说:-

到我十五岁时,我正在读数论;有一本由瓦茨瓦夫·谢尔宾斯基写的引人入胜的书——当然是波兰语的。然后我读了集合论。那时我想,如果可能,或者实际可行,成为一名数学家,我就想成为其中一员。当然,从实际角度来看,决定在大学学习数学——只学数学——是非常困难的,因为职业的紧迫性:职位非常少。靠数学谋生是非常非常困难的。

乌拉姆说([30]或[31]):-

……我十六岁时,完全自学了微积分,从Kowalevski的一本书中,他是一位德国人,不要与柯瓦列夫斯卡娅混淆……然后我还读了瓦茨瓦夫·谢尔宾斯基的一本关于集合论的书,我想我理解了。我们在高中有一位好教授,Zygmunt Zawirski,他是大学的逻辑学讲师。那时我和他谈论了这些,当我进入理工学院时也是如此。

1926年,他还在中学时,就连续几天去听了胡戈·施泰因豪斯Stanislaw Ruziewicz斯特凡·巴拿赫等一流数学家的讲座,这是他最早听的讲座。由于对天文学、物理学和数学都感兴趣,但又明白获得大学数学职位很困难,乌拉姆申请了利沃夫理工学院学习电气工程。然而该课程名额已满,于是他转而选择在新成立的普通学系学习。1927年,他在大学的第一年,选修了卡齐米日·库拉托夫斯基刚被任命到利沃夫后开设的集合论二年级课程。乌拉姆说([30]或[31]):-

[卡齐米日·库拉托夫斯基]开了一门集合论基础课程,我问了一些问题,然后课后和他交谈,他对一个显然对数学感兴趣并且有一些想法的年轻学生产生了兴趣。我很幸运地解决了他提出的一个未解决的问题。

卡齐米日·库拉托夫斯基在[47]中写道:-

……在我第一次讲座之后,乌拉姆——对他来说这也是第一次讲座——立刻带着一个问题来找我,这个问题既显示了他的进步也显示了他的才智。从那一刻起,我开始对他感兴趣,并试图把他引入数学。不久他就成了我的合作者,同时也是一位独立的数学家和我的密友。

乌拉姆觉得卡齐米日·库拉托夫斯基的讲座鼓舞人心[98]:-

这门课程有大约十五名学生参加,与我高中的经历相比,这些讲座是逻辑、清晰、系统呈现和准备的典范。

乌拉姆 在理工学院才读到二年级时,就写了他的头两篇论文。这两篇论文给出了 卡齐米日·库拉托夫斯基 在其讲座中提出的问题的解答:Remark on the generalised Bernstein's theorem(1929)和 Concerning functions of sets(1929)。令人惊讶的是,乌拉姆 选择用英文写这两篇各3页的论文,且都发表在 Fundamenta Mathematicae 上。

还在读研究生时,他就被邀请在多个会议上演讲,特别是1931年在维尔诺和1932年在苏黎世的国际数学家大会上,他在那里作了Zum Maßbegriffe in Produkträumen(论乘积空间中的测度概念)的演讲。他以说明这是与Zbigniew Łomnicki的合作工作开始这次演讲,并以承诺很快将发表这项关于测度论在概率计算中的应用结束。事实上,Łomnicki和乌拉姆的合作论文Sur la théorie de la mesure dans les espaces combinatoires et son application au calcul des probabilités(论组合空间中的测度理论及其在概率计算中的应用)于1934年发表。让我们在此记录一个令人悲伤的事实:Zbigniew Łomnicki于1941年7月被德国人杀害。

乌拉姆于1933年在利沃夫的理工学院获得博士学位,卡齐米日·库拉托夫斯基是他的导师。他研究了一个源于昂利·勒贝格在1902年提出的问题,即在[0,1]上寻找具有某些性质的测度。斯特凡·巴拿赫在1929年解决了一个相关的测度问题,但假设了广义连续统假设。乌拉姆在1930年通过在不使用广义连续统假设的情况下证明它,加强了斯特凡·巴拿赫的结果。他在[93]中声称他在一个晚上六小时内写完了他的学位论文。

关于乌拉姆与其老师卡齐米日·库拉托夫斯基互动的更多信息,请参见乌拉姆在THIS LINK上为卡齐米日·库拉托夫斯基写的讣告。

获得博士学位后,乌拉姆访问了各个城市,会见顶尖数学家。在维也纳,他会见了卡尔·门格尔,在苏黎世,他会见了海因茨·霍普夫马塞尔·格罗斯曼,在巴黎,他会见了埃利·嘉当,在英国剑桥,他会见了戈弗雷·哈罗德·哈代阿布拉姆·萨莫伊洛维奇·贝西科维奇亚瑟·爱丁顿利奥波德·英费尔德、J J Thomson和苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡

1935年,乌拉姆收到冯·诺伊曼的邀请,前往普林斯顿的高级爱德华·斯图迪访问几个月。他计划在那里待三个月,于是乘坐阿基塔尼亚号从法国瑟堡启航前往纽约,于1936年1月7日抵达。关于乌拉姆与冯·诺伊曼之间友谊的更多细节,参见乌拉姆与吉安-卡洛·罗塔THIS LINK关于冯·诺伊曼的讨论。

在高等研究院,斯图迪乌拉姆遇到了乔治·戴维·伯克霍夫,后者邀请他去哈佛大学。乌拉姆说([30]或[31]):-

……我回到波兰,但第二年秋天我作为所谓的学会会士——哈佛的一个新机构——的成员回到剑桥。……我立即开始教学:先是基础课程,然后是相当高级的课程。1940年我成为哈佛的讲师,但在1935-39年期间,我每年都在波兰和美国之间往返。夏天我探望家人、朋友和数学家。在波兰,数学生活非常紧张,数学家们经常在苏格兰咖啡馆和罗马咖啡馆这样的地方见面。我们在那里坐几个小时做数学。夏天我又这样做。然后在39年,实际上我在第二次世界大战开始前大约一个月离开了波兰。

你可以在 THIS LINK 上看到更多关于苏格兰咖啡馆的信息。

看看乌拉姆进入美国时填写的表格很有意思。在1936年至1939年间的五份入境表格上,乌拉姆的身高分别写为5英尺11英寸、6英尺、6英尺、5英尺8英寸和5英尺11英寸。他的眼睛颜色分别写为棕色、灰色、绿色、绿色和绿色。在这五次从波兰到美国的最后一次旅行中,他由十七岁的弟弟Adam Ulam陪同。他们的父亲确信波兰即将遭到德国攻击,说服亚当与弟弟一起离开,在美国继续学业。他们于1939年8月11日从但泽(现格但斯克)乘坐Piłsudski号(不是乌拉姆在[93]中所说的Batory号,许多人照抄了这个错误;Piłsudski号和Batory号是姊妹船。例如参见[100])启航。他们于1939年8月21日抵达纽约,仅仅一个多星期后,当他们住在纽约哥伦布圆环的一家旅馆时,维托尔德·胡列维茨打电话告诉他们德国正在轰炸华沙。在继续乌拉姆的传记之前,让我们稍微谈谈乌拉姆在利沃夫的家人。

乌拉姆 的母亲安娜生病了,频繁前往维也纳咨询医生。她于1938年3月18日在维也纳去世。乌拉姆 的妹妹斯特凡尼娅结婚后成为斯特凡尼娅·克鲁格。她于1940年生了一个孩子,并继续住在利沃夫,该地起初被俄罗斯人占领。1941年6月,德国人进攻俄罗斯,并于6月30日占领利沃夫。米凯莱·亚米奥尔科夫斯基讲述了斯特凡尼娅的死 [7]:-

……与斯特凡尼娅 乌拉姆 和她的小孩一起,我们躲藏在一座慷慨的基督徒妇女的房子里,她无偿地接待了我们。藏身处有三个成年人:我的母亲卢西亚、她的父亲和斯特凡尼娅,还有两个孩子,我自己(11岁)和斯特凡尼娅的小孩。……我们的邻居背叛了我们。我们被盖世太保逮捕,带到利沃夫的“亚诺夫斯基集中营”……我们慷慨的基督徒恩人被枪杀,我们这群人被带到一个叫做“地堡”的小拘留中心,等待第二天黎明被枪决。但前一天晚上,指挥官来审问我们。在审讯中,很明显他愿意接受贿赂,并且作为补偿,他会把我们送到集中营而不是枪毙我们。因此,我母亲带他去了利沃夫的一个藏匿处,她在那里藏了珠宝和贵重地毯,在取回这些之后,他决定这些贵重物品不足以拯救所有人的生命。他只愿意救两个人免于被杀,并给我母亲几个小时来做出这个巨大的选择:谁将被从必然的死亡中救出,而被带到集中营。……黎明时,我母亲和我被带到集中营,而斯特凡尼娅、她的婴儿和我的祖父被杀害。

乌拉姆 的父亲也在1941年德国人占领利沃夫时被杀害。

战争意味着乌拉姆兄弟无法从波兰获得资金,因此两人都不得不靠斯坦乌拉姆所领取的微薄薪水维持生活。他在哈佛的奖学金于1939年到期,但乔治·戴维·伯克霍夫任命他为哈佛1939-40学年的讲师。Adam Ulam于1939年9月在布朗大学开始了他的大学历史学习。

乌拉姆于1939年秋天在马萨诸塞州剑桥的一次聚会上遇到了弗朗索瓦丝·阿龙。弗朗索瓦丝(1918-2011)于1918年3月8日出生在巴黎,正值第一次世界大战接近尾声。她于1938年8月前往美国,在加利福尼亚的米尔斯学院学习,然后获得了马萨诸塞州曼荷莲学院的奖学金。弗朗索瓦丝为乌拉姆兄弟做饭,帮助他们。

1940年,乌拉姆被任命为威斯康星大学的助理教授。1941年8月19日,他在麦迪逊与Françoise Aron结婚;他们选择了由法官Roy H Proctor在其办公室主持的廉价简短的婚礼仪式。Stan和Françoise育有一个孩子Claire Anne Ulam(1944-2020),1944年7月15日出生于新墨西哥州圣菲。1943年,乌拉姆成为美国公民。那一年,冯·诺伊曼要求他承担一些非常重要的战争工作。他们同意会面([30]或[31]):-

……在芝加哥的某个火车站,为了多了解一些情况。我去了那里,他不能告诉我他要去哪里。有两个家伙,像是保镖,看起来像大猩猩,和他在一起。他和我讨论了一些数学,一些有趣的物理,以及这项工作的重要性。那就是洛斯阿拉莫斯的最初阶段。几个月后,我带着妻子来了……第一次到达一个非常奇怪的地方。

此时,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室正在进行的主要工作涉及裂变炸弹。这个项目于1945年7月16日在新墨西哥沙漠中引爆原子弹而成功完成。然而,乌拉姆在Edward Teller的小组工作,该小组着眼于裂变炸弹之外,研究聚变炸弹——氢弹的可能性。

吉安-卡洛·罗塔 [74]描述了乌拉姆的性格在1946年如何改变:-

1946年的一天早晨,在洛杉矶,新被任命为南加州大学教授的乌拉姆醒来发现自己无法说话。几个小时后,在诊断出脑炎后,他接受了一次危险的手术。……然而,随着时间的推移,那些认识他的人开始明显看出他性格上的一些变化。……他的想法,他不时地冒出来,比我以前或以后见过的任何东西都更迷人。然而,他似乎刻意避免深入细节。……他逐渐依赖他未受损的想象力来获得想法,并依赖他人的[辛勤工作]来获得技术支持。……

一个严重的技能缺陷与一个非凡的创造性想象力相结合,就是Stan 乌拉姆的戏剧性。在我遇见他后不久,我就明白了,就我们的谈话而言,他的戏剧性将是一个禁忌话题。……但他知道我知道,我也知道他知道我知道。

乌拉姆在洛斯阿拉莫斯时,发展了“蒙特卡洛方法”,该方法利用随机数的统计抽样方法来寻找数学问题的解。他解释了这一想法是如何产生的[27]:-

我第一次思考和尝试实践蒙特卡洛方法,是由1946年我生病康复期间玩纸牌时想到的一个问题所启发的。问题是,用52张牌摆出的坎菲尔德纸牌游戏成功通关的概率是多少?

蒙特卡洛方法现在广泛用于数学软件的计算机实现中。乌拉姆1949年描述蒙特卡洛方法的论文[57],与尼古拉斯·梅特罗波利斯合写,摘要如下:-

我们在此介绍处理数学物理中一类问题的方法的动机和一般描述。该方法本质上是研究微分方程,或更一般地,研究出现在自然科学各个分支中的积分微分方程的一种统计方法。

乌拉姆回到洛斯阿拉莫斯继续从事氢弹工作。这项工作在[15]中有所描述:-

乌拉姆与物理学家爱德华·泰勒合作,解决了聚变弹工作中遇到的一个主要问题,他提出压缩对爆炸至关重要,裂变弹的冲击波可以产生所需的压缩。他进一步提出,精心设计可以将机械冲击波聚焦,从而促进聚变燃料的快速燃烧。泰勒建议使用辐射内爆而非机械冲击来压缩热核燃料。这种后来被称为泰勒-乌拉姆构型的双级辐射内爆设计,导致了现代热核武器的诞生。

乌拉姆的这一非凡洞见,或许本应使他而非Teller被称为“氢弹之父”。Françoise 乌拉姆在丈夫解决该问题后作了如下描述[26]:-

中午我发现他在家,死死盯着窗外,脸上带着一种非常奇怪的表情。我永远忘不了他那茫然的眼神,仿佛视而不见地凝视着花园,他用细弱的声音说,我至今仍能听见,“我找到办法让它成功了。”

然而,乌拉姆的洞见是在经过许多小时的计算之后才出现的,这些计算最初由他和J C Everett完成,后来得到一组受雇操作电子计算器的女性计算员的协助。乌拉姆写道[68]:-

每天早晨,我都会尝试对某些系数的值提供若干猜测,这些系数涉及运动组件的纯几何性质,关系到穿过其中并进而引发更多反应的中子和其他粒子的命运。……我们每天开始工作四到六小时,用计算尺、铅笔和纸,频繁地进行定量猜测。

乌拉姆还与J C Everett一起提出了用于航天器核推进的“Orion”计划。

1963年,在一场无聊的讲座中,乌拉姆在他的方格记事本上涂鸦。他将正整数排列成方形螺旋图案,并注意到当他标记素数时,它们似乎集中在对角线上。
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他留在洛斯阿拉莫斯直到1965年,被任命为科罗拉多大学数学讲席。去世时,他是科罗拉多大学的生物数学教授。

当被要求总结他的工作时,他给出了这样谦逊的回答([30]或[31]):-

最初我研究集合论,其中一些问题至今仍被深入研究。这太技术性了,难以描述:可测基数、集合论中的测度、抽象测度。后来在拓扑学中我有了一些结果。……然后我在遍历理论中做了一点工作。Oxtoby和我解决了一个老问题,其他一些问题后来在其他领域得到解决。总的来说,我会说运气起了一定作用,至少在我的情况是这样。此外,我在集合论、群论、拓扑学、数学物理以及其他方法中都有幸拥有极其出色的合作者,这不是什么了不起的智力成就,但非常有用,诸如此类的一些事情。

乌拉姆的著作包括A collection of mathematical problems(1960年)、(与马克·卡茨合著)Mathematics and logic: Retrospect and prospects(1968年)、Sets numbers and universes (1974年)、Adventures of a Mathematician(1976年)、Science, computers, and people from the tree of mathematics(1986年)和Analogies between analogies(1990年)。关于这些书籍第一版及后续版本的信息,包括评论和序言的摘录,见THIS LINK

吉安-卡洛·罗塔这样描述他[74]:-

乌拉姆的头脑是一个储存了数千个故事、传说、笑话、警句、评论、谜题、绕口令、脚注、结论、口号、公式、图表、引语、打油诗、摘要、妙语、墓志铭和标题的宝库。在正常交谈过程中,他只需从头脑中抽出五十来个相关条目,然后按线性顺序呈现出来。二级记忆使他不会在同一听众面前过于频繁地重复自己。

他的妻子Françoise 乌拉姆在[97]中描述了乌拉姆的工作方法:-

乌拉姆……几乎完全是一个健谈的人,一个口头表达的人。不思考的时候……他最喜欢的就是与朋友和同事交谈、讨论、争论、对话。依靠他非凡的记忆力,他把一切都记在脑子里。……

对他来说,提笔在纸上写字这个物理动作一直很痛苦。他的头脑和眼睛是障碍。头脑,因为它的运转比手指快得多……;眼睛,因为一只高度近视,另一只高度远视。……出于童年的恐惧,后来出于年轻的虚荣,他拒绝戴眼镜,直到最近才改变。因此,乌拉姆一直很难让自己为发表而写任何东西,无论是手写还是用打字机。机器和其他机械物件总是让他反感。……那么他究竟是如何写出文本的呢?主要是通过口述……

让我们以Claire Ulam童年时关于她父亲[88]的评论作为结束:-

有一天,小Claire Ulam看着一些孩子和他们的父亲玩球,一个朋友问她父亲是否也曾这样和她玩。回答是斩钉截铁的“不!不!我父亲所做的就是思考,思考,思考!除了思考什么也不做!”

参考文献

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