“二戰(zhàn)”中數(shù)學(xué)在軍事上的應(yīng)用第二次世界大戰(zhàn),是人類文明的大浩劫。
成千上萬的人死于戰(zhàn)禍,其中包括許多世界上最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家。波蘭學(xué)派將近2/3的成員遇難。德國哥廷根學(xué)派煙消云散。但是數(shù)學(xué)家沒有被嚇倒。大批有正義感的數(shù)學(xué)家投入反法西斯的戰(zhàn)斗。 “二戰(zhàn)”迫使美國政府將數(shù)學(xué)、與科學(xué)技術(shù)、軍事目標(biāo)空前緊密地結(jié)合起來,開辟了美國數(shù)學(xué)發(fā)展的新時代。1941年美國參戰(zhàn),聯(lián)邦政府開始大幅度增加科研經(jīng)費(fèi)的撥款。1941至1945年,政府提供的研究與發(fā)展經(jīng)費(fèi)占全國同類經(jīng)費(fèi)總額的比重驟增至86%。美國的“科學(xué)研究和發(fā)展局”于1940年成立了“國家防衛(wèi)科學(xué)委員會”(NDRC),為軍方提供科學(xué)服務(wù)。1942年,NDRC又成立了應(yīng)用數(shù)學(xué)組(Applied Mathematics Panel,簡稱AMP)。它的任務(wù)是幫助解決戰(zhàn)爭中日益增多的數(shù)學(xué)問題。AMP和全美11所著名大學(xué)訂有合同,全美最有才華的數(shù)學(xué)家都投入了這項工作。AMP的大量研究涉及“改進(jìn)設(shè)計以提高設(shè)備的理論精確度”以及“現(xiàn)有設(shè)備的最佳運(yùn)用”,特別是在空戰(zhàn)方面,到戰(zhàn)爭結(jié)束時共完成了200項重大的研究。 在紐約州立大學(xué),柯朗和弗里德里希領(lǐng)導(dǎo)的小組研究空氣動力學(xué)、水下爆破和噴氣火箭理論。超音速飛機(jī)帶來的激波和聲爆問題,利用“柯朗--弗里德里希--勒維的有限差分法”求出了這些課題的雙曲型偏微分方程的解。布朗大學(xué)以普拉格為首的應(yīng)用數(shù)學(xué)小組集中研究經(jīng)典動力學(xué)和畸變介質(zhì)力學(xué),提高軍備的使用壽命。哈佛大學(xué)的G"伯克霍夫為海軍研究水下彈道問題。哥倫比亞大學(xué)重點研究空對空射擊學(xué),例如:空中發(fā)射炮彈彈道學(xué),偏射理論,追蹤曲線理論,追蹤過程中自己速度的觀測與刻劃,中心火力系統(tǒng)的基本理論,空中發(fā)射裝備測試程序的分析,穩(wěn)定性,雷達(dá)。普林斯頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)為空軍確定“應(yīng)用B--29飛機(jī)的最佳戰(zhàn)術(shù)”。馮"諾伊曼和烏拉姆研究原子彈和計算機(jī)。維納和柯爾莫戈洛夫研究火炮自動瞄準(zhǔn)儀。圖靈破譯德軍密碼??傊?,法西斯瘋狂擴(kuò)張嚴(yán)重威脅著美國的利益與安全。因此,如何利用最新科技成就武裝現(xiàn)代化軍事武器來遏制敵人 迅速被提上戰(zhàn)時美國科技戰(zhàn)略的中心議程。英國數(shù)學(xué)家圖靈出生于一個富有的家庭,1935年在劍橋大學(xué)獲博士學(xué)位后去美國的普林斯頓。他1937年寫的《可計算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用》一文,為設(shè)計理想的通用計算機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。他是關(guān)于數(shù)字計算機(jī)智力、可計算性概念最早的論述者之一。1939年圖靈回到英國,立即受聘于外交部通訊處。當(dāng)時希特勒德國用于絕密通訊的電報機(jī)叫“Enigma”(謎),圖靈把拍電報的過程看成在一條紙帶上穿孔,運(yùn)用圖靈的可計算理論,英國設(shè)計了一架破譯機(jī)“Ultra”(超越)專門對付“謎”機(jī),破譯了大批德軍密碼。1943年4月,日本海軍最高司令部發(fā)出的極其秘密的無線電波,飛越了浩瀚的太平洋,到達(dá)了駐在南太平洋和日本占領(lǐng)的中國海港的各日本艦隊,各艦隊的司令官接到命令:日本聯(lián)合艦隊總司令長官山本五十六海軍大將,將于4月18日上午9時45分,在六架零式戰(zhàn)斗機(jī)保護(hù)下,乘兩架三菱轟炸機(jī)飛抵卡西里灣,山本的全部屬員與他同行。這份絕密電報當(dāng)即被美國海軍通訊情報局的專家們破譯出來,通過海軍部長弗蘭克"諾克斯之手,馬上被放到美國總統(tǒng)羅斯福的案頭上。于是,一個??掌嬉u山本海軍大將座機(jī)的戰(zhàn)斗計劃在醞釀、制定之中。4月16日早晨7點35分,美國閃電式戰(zhàn)斗機(jī)群騰空而起,終于在卡西里灣上空將山本的座機(jī)哉住,蘭菲爾少校在緊追中兩次開炮,山本的座機(jī)右引擎和左機(jī)翼先后爆炸起火,最后兩翼折斷朝東墜落,機(jī)身在離山本的目的地卡西里只有幾哩的荊棘叢中爆炸。1941年5月21日,英國情報機(jī)關(guān)截獲并破譯了希特勒給海軍上將雷德爾的一份密電。從而使號稱當(dāng)時世界上最厲害的一艘巨型戰(zhàn)列艦,希特勒的“德國海軍的驕傲”“俾斯麥”號葬身魚腹。1940年,希特勒的空軍優(yōu)勢給同盟軍造成很大的困難,英國面對德國的空襲,要求美國幫助增加地面防空力量。蘇聯(lián)在戰(zhàn)爭初期失利,要求科學(xué)家?guī)椭婈牨Pl(wèi)莫斯科,特別是防衛(wèi)德軍的空襲。這時英國的維納和蘇聯(lián)的柯爾莫戈洛夫幾乎同時著手研究濾波理論與火炮的自動控制問題。維納認(rèn)為:潛水艇和轟炸機(jī)的戰(zhàn)斗是兩個我們應(yīng)用數(shù)學(xué)幫助制服的主要威脅。研究自動跟蹤火炮的困難在于:飛機(jī)的速度和炮彈的速度差不多,要擊中敵機(jī)必須預(yù)測未來位置的方法,并且觀測到實際位置數(shù)據(jù)校正火炮的方位和仰角,使炮彈能擊中敵機(jī)。由于觀測是有誤差的,敵機(jī)的飛行位置和大炮的發(fā)射角度都帶有隨機(jī)性,因此,必須研究隨機(jī)過程預(yù)測理論。將觀察到的數(shù)據(jù)濾去誤差成分,用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指揮火炮,使火炮的命中率大大提高。這一套數(shù)學(xué)理論組成了隨機(jī)過程和控制論的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,許多問題要求進(jìn)行快速估算和運(yùn)用逼近方法。專攻純粹數(shù)學(xué)的馮"諾伊曼立即把注意力放到數(shù)值分析方面,他提出并解決了高階矩陣求逆問題。他從事可壓縮氣體運(yùn)動以及激波問題,開拓了激波的互相碰撞、激波反射方面的研究。他不僅從理論上分析,而且給出了最佳計算方案——差分格式以及計算格式的數(shù)學(xué)穩(wěn)定性條件。1943年底,他受奧本海默邀請以顧問身份訪問洛斯"阿拉莫斯實驗室,參加制造原子彈的工程,在內(nèi)向爆炸理論、核爆炸的特征計算、熱核反應(yīng)條件方面都作出了巨大的貢獻(xiàn)。 “二戰(zhàn)”中軍備消耗驚人,研究軍火質(zhì)量控制和、抽樣驗收方面如何節(jié)省的問題十分迫切。隸屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)小組的哥倫比亞大學(xué)的統(tǒng)計研究小組的領(lǐng)導(dǎo)人瓦爾德發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的統(tǒng)計抽樣試驗要求很多步驟,每一步驟取得的數(shù)據(jù)卻只和最后結(jié)論有關(guān),而每個步驟之間沒有關(guān)系。于是瓦爾德研究出一種由上一步?jīng)Q定下一步如何抽樣以及下一步是否停止的統(tǒng)計抽樣方案,這便是現(xiàn)在通稱的“序貫分析法”。這一方案的發(fā)明,為美國軍方節(jié)省了大量軍火物資,僅這一項就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過AMP的全部經(jīng)費(fèi)。1944年,韋弗接到請求,希望確定攻擊日本大型軍艦的水雷布陣的類型。但是美國海軍對日本大軍艦的航速和轉(zhuǎn)彎能力一無所知。幸運(yùn)的是海軍當(dāng)局有許多這些軍艦的照片。當(dāng)把問題提到紐約州立大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)組時,馬上有人提供了一個資料:1887年,數(shù)學(xué)家凱爾文曾研究過當(dāng)船以常速直線前進(jìn)時,激起的水波沿著船只前進(jìn)的方向形成一個扇面,船邊到角邊緣的半角為19°28′,其速度可以由船首處兩波尖頂?shù)拈g隔計算出來。根據(jù)這個公式測算出了日艦的航速和轉(zhuǎn)彎能力。 “二戰(zhàn)”期間僅德國和奧地科就有近200名科學(xué)家移居美國,其中包括世界上最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家。大批外來人才的流入,給美國節(jié)省了巨額智力投資。美國認(rèn)為,得到一個第一流的科學(xué)家,比俘獲10個師的德軍。要有價值得多。有人認(rèn)為第一流數(shù)學(xué)家移居美國,是美國在第二次世界大戰(zhàn)中最大的勝利之一。 戰(zhàn)神如果是個數(shù)學(xué)家,那他取勝的幾率就會大增。從人類早期的戰(zhàn)爭開始,數(shù)學(xué)就無所不在。不論是發(fā)射弩箭還是挖掘地道攻城,數(shù)學(xué)定律就像冥冥之中的命運(yùn)之神一樣在起作用??纯吹诙问澜绱髴?zhàn)中數(shù)學(xué)家作出的貢獻(xiàn),你會對中國的陳景潤們更加肅然起敬。 第二次世界大戰(zhàn),是人類文明的大浩劫。成千上萬的人死于戰(zhàn)禍,其中包括許多時間上最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家,波蘭學(xué)派將近三分之二的成員夭折,德國哥庭根學(xué)派全線崩潰。但是數(shù)學(xué)家沒有被嚇倒。大批有正義感的數(shù)學(xué)家投入了反法西斯的戰(zhàn)斗。 一支高智商的反法西斯隊伍 二戰(zhàn)迫使美國政府將數(shù)學(xué)與科學(xué)技術(shù)、軍事目標(biāo)空前緊密地結(jié)合起來,開辟了美國數(shù)學(xué)發(fā)展的新時代。1941至1945年,政府提供的研究與發(fā)展經(jīng)費(fèi)占全國同類經(jīng)費(fèi)總額的比重驟增至86%。美國的“科學(xué)研究和發(fā)展局”(OSRD)于1940年成立了“國家防衛(wèi)科學(xué)委員會(NDRC),為軍方提供科學(xué)服務(wù)。1942年,NDRC又成立了應(yīng)用數(shù)學(xué)組(AMP),它的任務(wù)是幫助解決戰(zhàn)爭中日益增多的數(shù)學(xué)問題。AMP和全美11所著名大學(xué)訂有合同,全美最有才華的數(shù)學(xué)家都投入了遏制法西斯武力的神圣工作。AMP的大量研究涉及“改進(jìn)設(shè)計以提高設(shè)備的理論精確度”以及“現(xiàn)有設(shè)備的最佳運(yùn)用”,特別是空戰(zhàn)方面的成果,到戰(zhàn)爭結(jié)束時共完成了200項重大研究。 在紐約州立大學(xué),柯朗和弗里德里希領(lǐng)導(dǎo)的小組研究空氣動力學(xué)、水下爆破和噴氣火箭理論。超音速飛機(jī)帶來的激波和聲爆問題,利用“柯朗——弗里德里?!站S的有限差分發(fā)”求出了這些課題的雙曲型偏微分方程的解。布朗大學(xué)以普拉格為首的應(yīng)用數(shù)學(xué)小組集中研究經(jīng)典動力學(xué)和畸變介質(zhì)力學(xué),以提高軍備的使用壽命。哈佛大學(xué)的G·伯克霍夫為海軍研究水下彈道問題。哥倫比亞大學(xué)重點研究空對空射擊學(xué)。例如,空中發(fā)射炮彈彈道學(xué);偏射理論;追蹤曲線理論;追蹤過程中自己速度的觀測和刻劃;中心火力系統(tǒng)的基本理論;空中發(fā)射裝備測試程序的分析;雷達(dá)。 普林斯頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)為空軍確定“應(yīng)用B-29飛機(jī)的最佳戰(zhàn)術(shù)”。馮·諾伊曼和烏拉姆研究原子彈和計算機(jī)。維納和柯爾莫戈洛夫研究火炮自動瞄準(zhǔn)儀。由丹澤西為首的運(yùn)籌學(xué)家發(fā)明了解線性規(guī)劃的單純形算法,使美軍在戰(zhàn)略部署中直接受益。 破譯密碼的解剖刀——數(shù)學(xué) 英國數(shù)學(xué)家圖靈出生于一個富有家庭,1935年在劍橋大學(xué)獲博士學(xué)位后去美國的普林斯頓,為設(shè)計理想的通用計算機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。1939年圖靈回到英國,立即受聘于外交部通訊處。當(dāng)時德國法西斯用于絕密通訊的電報機(jī)叫“Enigma”(謎),圖靈把拍電報的過程看成在一張紙帶上穿孔,運(yùn)用圖靈的可計算理論,英國設(shè)計了一架破譯機(jī)“Ultra”(超越)專門對付“Enigma”,破譯了大批德軍密碼。 1941年5月21日,英國情報機(jī)關(guān)終于截獲并破譯了希特勒給海軍上將雷德爾的一份密電。從而使號稱當(dāng)時世界上最厲害的一艘巨型戰(zhàn)列艦,希特勒的“德國海軍的驕傲”——“俾斯麥”號在首次出航中即葬身魚腹。 1943年4月,日本海軍最高司令部發(fā)出的絕密電波越過太平洋,到達(dá)駐南太平洋和日本占領(lǐng)的中國海港的各日本艦隊,各艦隊司令接到命令:日本聯(lián)合艦隊總司令長官山本五十六大將,將于4月18日上午9時45分,由6架零式戰(zhàn)斗機(jī)保護(hù),乘兩架轟炸機(jī)飛抵卡西里灣,山本的全部屬員與他同行。 這份電報當(dāng)即被美國海軍的由數(shù)學(xué)家和組合學(xué)家組成的專家破譯小組破譯,通過海軍部長弗蘭克·諾克斯之手,馬上被送到美國總統(tǒng)羅斯福的案頭。于是,美國閃電式戰(zhàn)斗機(jī)群在卡西里灣上空將山本的座機(jī)截住,座機(jī)在離山本的目的地卡西里只有幾英里的荊棘叢中爆炸。 中途島海戰(zhàn)也是由于美國破譯了日本密碼,使日本4艘航空母艦,1艘巡洋艦被炸沉,330架飛機(jī)被擊落;幾百名經(jīng)驗豐富的飛行員和機(jī)務(wù)人員陣亡。而美國只損失了1艘航空母艦,1艘驅(qū)逐艦和147架飛機(jī)。 從此,日本喪失了在太平洋戰(zhàn)場上的制空權(quán)和制海權(quán)。 一個一流數(shù)學(xué)家勝過10個師 1944年,韋弗接到請求,希望確定攻擊日本大型軍艦時水雷布陣的類型。但是美國海軍對日本大型艦只的航速和轉(zhuǎn)彎能力一無所知。幸運(yùn)的是海軍當(dāng)局有許多這些軍艦的照片。當(dāng)把問題提到紐約州立大學(xué)韋弗的應(yīng)用數(shù)學(xué)組時,馬上有人提供了一個資料:1887年,數(shù)學(xué)家凱爾文曾研究過當(dāng)船以常速直線前進(jìn)時,激起的水波沿著船只前進(jìn)的方向形成一個扇面,船邊的角邊緣的半角為19度28分,其速度可以由船首處兩波尖頂?shù)拈g隔計算出來。根據(jù)這個公式測算出了日艦的航速和轉(zhuǎn)彎能力。 戰(zhàn)爭初期,希特勒的空軍優(yōu)勢給同盟國造成了很大的威脅,英國面對德國的空襲,要求美國幫助增加地面防空力量。蘇聯(lián)在戰(zhàn)爭初期失利,要求數(shù)學(xué)家?guī)椭婈牨Pl(wèi)莫斯科,特別是防衛(wèi)德軍的空襲。這時,英國的維納和蘇聯(lián)的柯爾莫戈洛夫幾乎同時著手研究濾波理論與火炮自動控制問題。維納給軍方提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型以指揮火炮,使火炮的命中率大大提高。這一套數(shù)學(xué)理論組成了隨即過程和控制論的基礎(chǔ)。 在兩軍對壘的戰(zhàn)斗中,許多問題要求進(jìn)行快速估算和運(yùn)用逼近方法。專攻純數(shù)學(xué)的馮·諾伊曼立即把注意力放到數(shù)值分析方面。他從事可壓縮氣體運(yùn)動以及濾波問題,開拓了激波的互相碰撞、激波發(fā)射方面的研究。 1943年底,他受奧本海默邀請,以顧問身份訪問洛斯阿拉莫斯實驗室,參加制造原子彈的工程,在內(nèi)向爆炸理論、核爆炸的特征計算等方面都作出了巨大貢獻(xiàn)。 二戰(zhàn)中軍備消耗驚人,研究軍火質(zhì)量控制和抽樣驗收方面如何節(jié)省的問題十分迫切。隸屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)小組的哥倫比亞大學(xué)的統(tǒng)計研究小組的領(lǐng)導(dǎo)人瓦爾德研究出一種新的統(tǒng)計抽樣方案,這便是現(xiàn)在通稱的“序貫分析法”這一方案的發(fā)明,為美國軍方節(jié)省了大量軍火物資,僅這一項就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過AMP的全部經(jīng)費(fèi)。 在硝煙彌漫的戰(zhàn)爭中,數(shù)學(xué)家鑄就了軍隊之魂。二戰(zhàn)期間僅德國和奧地利就有近200名科學(xué)家移居美國,其中包括世界上最杰出的科學(xué)家。大批外來高科技人才的流入,給美國節(jié)省了巨額智力投資。美國軍方從那時起,就十分熱衷于資助數(shù)學(xué)研究和數(shù)學(xué)家,甚至對應(yīng)用前景還不十分明顯的項目,他們也樂于投資。美國認(rèn)為,得到一個第一流的數(shù)學(xué)家,比俘獲10個師的德軍要有價值得多。有人認(rèn)為,第一流的數(shù)學(xué)家移居美國,是美國在第二次世界大戰(zhàn)中最大勝利之一。