- John von Neumann n’était pas une figure résidente centrale du Manhattan Project, mais à Los Alamos il a relié la conception par implosion et les techniques de calcul, laissant une empreinte durable à la fois sur les armes nucléaires et sur l’informatique moderne
- Sa contribution part des charges creuses et des mathématiques des ondes de choc, puis mène aux lentilles explosives et à l’implosion sphérique conçues pour comprimer rapidement et uniformément une matière fissile
- Lorsqu’en 1944 le problème de la fission spontanée du plutonium-240 a été confirmé, la méthode à canon (
gun) s’est révélée trop lente pour une bombe au plutonium, et l’implosion est devenue de fait le seul mode d’assemblage viable - Les calculs d’implosion relevaient d’un problème de dynamique des fluides non linéaire difficilement gérable par une seule personne, et l’expérience de von Neumann avec les machines IBM de Los Alamos et l’ENIAC lui a fait prendre pleinement conscience de la valeur de l’ordinateur universel
- Les questions soulevées à Los Alamos se sont étendues bien au-delà de la conception d’armes nucléaires, vers le concept de stored-program, la random access memory, la von Neumann architecture, la simulation météorologique et la recherche sur la vie artificielle
Du prodige de Budapest au corps professoral de Princeton
- John von Neumann est né en 1903 à Budapest dans une famille juive aisée, et s’est fait remarquer dès l’enfance par sa maîtrise de plusieurs langues, du calcul infinitésimal, par une immense culture historique et par une mémoire exceptionnelle
- Il a grandi dans le même environnement intellectuel que des scientifiques hongrois du XXe siècle comme Eugene Wigner, Leo Szilard et Edward Teller ; Wigner dira plus tard que le seul véritable génie produit par la Hongrie était Johnny von Neumann
- Après avoir obtenu des diplômes de mathématiques et de génie chimique à Zurich et à Budapest, il est devenu l’assistant de David Hilbert et, avant ses 30 ans, a produit des résultats majeurs dans plusieurs domaines
- résolution du cinquième problème de Hilbert pour les groupes compacts
- démonstration du théorème ergodique moyen
- fourniture d’un fondement mathématique à la mécanique quantique
- démonstration du théorème minimax
- travaux sur la théorie des jeux et les fondements des mathématiques
- Après l’arrivée d’Hitler au poste de chancelier d’Allemagne en 1933, il a commencé à se rendre aux États-Unis et est devenu l’un des premiers professeurs de l’Institute for Advanced Study, aux côtés d’Einstein, Hermann Weyl et Oswald Veblen
- À Princeton, il a collaboré avec l’économiste Oskar Morgenstern pour écrire The Theory of Games and Economic Behavior, un ouvrage considéré comme fondateur de la théorie des jeux
Les mathématiques de guerre nées des charges creuses et des ondes de choc
- En 1888, le chimiste de l’US Navy Charles Munroe a découvert que la forme de lettres en relief à la surface d’un explosif pouvait se reproduire sur une plaque métallique, un phénomène qui mènera à l’effet Munroe et au principe des charges creuses
- Une charge creuse consiste à concentrer, par une géométrie explosive particulière, une force très puissante dans un espace réduit ; elle sert aussi bien à des usages pacifiques de cavités contrôlées dans la roche ou le métal qu’à des armes antichars
- Dans les années 1930, des scientifiques de plusieurs pays se sont intéressés aux charges creuses, et Rudolf Thomanek a proposé ce principe aux autorités allemandes
- en 1935, Thomanek a présenté l’idée devant Hitler, Himmler, Goering et l’état-major allemand
- Hitler a estimé qu’il pouvait s’agir d’une solution pour permettre à un fantassin de détruire un char, et que le même principe pouvait aussi s’appliquer aux bombes et aux torpilles
- Aux États-Unis, le principe de la charge creuse a été mis en œuvre dans l’arme antichar Bazooka, et le principe clé a été rendu public en 1945 avec la réimpression d’un article de Munroe publié en 1900 dans Popular Science
- L’Aberdeen Proving Ground, dans le Maryland, avait été créé pendant la Première Guerre mondiale pour la recherche balistique, et Veblen a fait entrer von Neumann dans les recherches de guerre à la fin des années 1930
- Bien qu’il n’ait reçu aucune formation militaire, von Neumann était considéré comme un mathématicien universel capable de traiter les phénomènes non linéaires des explosions à charge creuse
- les phénomènes non linéaires concernent des problèmes complexes où la réponse n’est pas proportionnelle au stimulus
- Stanislaw Ulam disait qu’appeler cela « science non linéaire » revenait à qualifier la zoologie, pour l’essentiel, d’étude des « animaux non-éléphants »
- En 1941, Edward Teller et Hans Bethe ont analysé les conditions de température et de pression de part et d’autre des ondes de choc, et en mai 1941 von Neumann a demandé à Bethe si l’analyse pouvait être étendue à de l’air porté à 25 000 °C
- Une explosion de charge creuse pouvait être interprétée comme un processus dans lequel une onde de choc se propage dans un milieu avant d’être suivie d’une réaction chimique, et von Neumann étudiait déjà le comportement des ondes de choc à haute température avant Pearl Harbor
Le rôle qu’il a joué à Los Alamos pour crédibiliser la conception par implosion
- Aux débuts du Manhattan Project, ce sont surtout des physiciens comme Szilard, Teller, Oppenheimer et Fermi qui menaient la danse, et von Neumann n’était pas au centre du projet dès l’origine
- En 1943, le principe de base de la bombe à fission était relativement clair
- il fallait assembler rapidement deux morceaux sous-critiques d’uranium pour dépasser la masse critique
- si l’assemblage était trop lent, une prédétonation ou une explosion incomplète pouvait se produire
- la séparation des isotopes de l’uranium et la production de plutonium étaient vues comme les principales difficultés
- Seth Neddermeyer a proposé une méthode d’implosion consistant à comprimer vers l’intérieur de tous côtés plutôt qu’à faire entrer en collision deux morceaux
- Bethe, Fermi et Feynman, entre autres, s’y sont fortement opposés
- Deke Parsons s’en est moqué en parlant d’une « beer can experiment »
- Oppenheimer a ordonné des expériences préliminaires
- En juillet 1943, Oppenheimer a écrit à von Neumann pour lui demander de l’aide, affirmant que les effectifs théoriques de Los Alamos étaient « critically inadequate »
- Von Neumann s’est rendu à Los Alamos en septembre 1943 comme consultant, et non comme membre résident, et a apporté une crédibilité décisive à l’approche par implosion
- il a jugé optimal de disposer des charges creuses en sphère autour d’un cœur d’uranium ou de plutonium
- il pensait qu’en augmentant le rapport entre explosif et matière nucléaire, on pouvait accélérer l’assemblage et réduire la quantité nécessaire d’uranium enrichi ou de plutonium, extrêmement coûteux
- il a compris qu’à haute pression, une matière ne devient pas seulement critique mais supercritique, ce qui peut fortement accroître l’efficacité de l’explosion
- George Kistiakowsky a été recruté comme expert en explosifs pour participer au développement des charges d’implosion, des techniques de diagnostic et d’assemblage ; il a aussi fallu inventer un nouveau detonator capable de faire exploser plusieurs points simultanément
- Le principal défi de mise en œuvre était celui d’une onde de choc symétrique
- une asymétrie d’environ 5 % pouvait suffire à provoquer un échec
- une explosion ordinaire produit une onde de choc qui se propage vers l’extérieur ; il fallait donc la transformer en onde convergeant vers le centre
- Le scientifique britannique James Tuck a proposé l’idée des lentilles explosives à partir de son expérience avec des explosifs de densités différentes
- de la même façon que la lumière se réfracte dans des matériaux de densité différente, les ondes de choc se réfractent différemment selon les explosifs
- en disposant en couches des explosifs à combustion rapide et lente, on transformait une onde divergente en onde convergente
- cela permettait une conception dans laquelle les ondes issues de 32 points d’explosion convergeaient vers un point central pour comprimer la matière nucléaire
- Von Neumann a joué un rôle majeur dans la conception en développant la mathématique des lentilles explosives
- À l’automne 1944, Emilio Segrè a confirmé que le plutonium produit en réacteur contenait du plutonium-240
- le Pu-240 provoque une fission spontanée
- la méthode à canon utilisée pour la bombe à l’uranium était trop lente pour empêcher une prédétonation dans une bombe au plutonium
- l’implosion est donc devenue la seule voie possible pour une bombe au plutonium
- Comme la conception par implosion restait nouvelle et incertaine, elle a été testée le 16 juillet 1945 dans le désert d’Alamogordo, au Nouveau-Mexique
Les calculs de bombe révèlent la nécessité de l’ordinateur
- Von Neumann a aussi contribué à simplifier les calculs d’estimation de la pression d’une bombe
- dans une grande explosion, il considérait que ce n’était pas tant la longueur du detonation pulse que la surpression produite qui déterminait les effets
- cela permettait de traiter plus simplement la relation entre bomb yield et effets
- La connaissance de la réflexion des ondes de choc a aussi servi à calculer l’altitude optimale d’explosion d’une bombe nucléaire pour maximiser les dégâts
- le 6 août 1945, la bombe à l’uranium Little Boy a explosé à environ 1 900 pieds au-dessus d’Hiroshima
- environ 80 000 à 100 000 personnes sont mortes immédiatement
- À Los Alamos, il a renoué avec Edward Teller et a invité Stan Ulam à participer aux calculs de dynamique des fluides
- Le problème de l’implosion était trop difficile pour être traité à la main par une seule personne, et Ulam se souvenait qu’un problème de dynamique des fluides peut paraître simple en paroles, tout en étant extrêmement difficile dans les détails comme dans les ordres de grandeur
- En avril 1944, le premier équipement de calcul IBM est arrivé à Los Alamos pour soutenir ces travaux
- le problème consistait à intégrer des équations aux dérivées partielles hyperboliques avec une coordonnée spatiale et une coordonnée temporelle
- l’intégration se faisait sur cartes perforées
- Richard Feynman a pris ce travail en charge
- Von Neumann a passé deux semaines à programmer la machine pour se familiariser avec le calcul, et a trouvé particulièrement fastidieuse l’opération de recâblage du tabulator
- Il savait aussi que Howard Aiken avait construit à Harvard, avec IBM, un des premiers programmable computer, et il a organisé une comparaison en faisant exécuter simultanément l’intégration numérique d’équations aux dérivées partielles du second ordre sur l’ordinateur de Los Alamos et sur celui de Harvard
- l’ordinateur de Los Alamos a terminé le premier
- l’ordinateur de Harvard a calculé avec davantage de décimales
- Cette expérience l’a conduit à juger que les ordinateurs deviendraient des outils indispensables pour les mathématiques et les sciences complexes
- Au moment même où Presper Eckert et John Mauchly construisaient l’ENIAC à l’University of Pennsylvania, von Neumann a perçu encore plus nettement l’importance du computing
- Avant même la fin de la guerre, il écrivait à un collègue qu’il réfléchissait à « quelque chose de bien plus important que la bombe, l’ordinateur », preuve de la valeur à long terme de l’ordinateur qu’il entrevoyait
Un héritage qui mène aux armes nucléaires et à l’informatique moderne
- Le travail de von Neumann à Los Alamos a eu une influence directe sur l’arme de destruction massive qui a ravagé Hiroshima et Nagasaki
- L’implosion reste la technologie principale des fission bomb, et sert aussi dans les thermonuclear weapon comme dispositif primaire à fission pour amorcer le secondary de fusion
- Après la guerre, il a continué à agir comme haut conseiller du gouvernement américain, au point d’avoir conseillé à un moment ou à un autre tous les organismes sauf la Coast Guard
- Il a contribué non seulement aux fission weapon, mais aussi aux thermonuclear weapon capables de tuer des centaines de millions de personnes en quelques minutes
- Peu avant sa mort, il fut l’une des figures centrales du Teapot Committee, qui recommandait d’accélérer le programme américain d’ICBM nucléaires
- Convaincu que l’Soviet Union représentait un risque existentiel pour la sécurité américaine, il a défendu non seulement la frappe préventive mais aussi la guerre préventive, sans être suivi
- Durant la dernière année de sa vie, alors qu’il souffrait d’un cancer, il a reçu la Medal of Freedom des mains du président Eisenhower et a séjourné dans une chambre gardée du Walter Reed Hospital, mise à disposition à la demande expresse d’Eisenhower
- À son chevet se trouvait le manuscrit de sa conférence The Computer and the Brain, qui comparait l’ordinateur et le cerveau
- Les idées germées à Los Alamos se sont étendues jusqu’à l’artificial intelligence, la robotique et les neurosciences, et ont aussi conduit à la notion d’automates auto-reproducteurs ainsi qu’aux vaisseaux spatiaux auto-réplicateurs
- George Dyson résume cela dans Turing’s Cathedral par la formule : « Bombs made computers, and computers made bombs »
- Von Neumann a d’abord encouragé l’usage des ordinateurs pour simuler les armes à fission et à fusion, puis a apporté des contributions fondamentales au concept de stored-program, à la random access memory et à ce qu’on appelle aujourd’hui la von Neumann architecture
- À l’Institute for Advanced Study, il a conçu avec une équipe d’ingénieurs un ordinateur pionnier, utilisé ensuite pour des simulations météorologiques, de la vie artificielle, des recherches de mathématiques fondamentales et des travaux de geophysics
- L’histoire de Los Alamos montre que l’effet le plus important d’une nouvelle technologie peut être une autre technologie nouvelle et inattendue : en cherchant à concevoir des bombes, on a eu besoin d’ordinateurs, et ces ordinateurs sont devenus une technologie plus durable que les bombes
1 commentaires
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N’ayant pas étudié les maths depuis mes A-levels, je me demande si la façon d’enseigner les mathématiques était différente à l’époque où von Neumann étudiait par rapport à aujourd’hui.
Les maths et les sciences qu’on m’a enseignées donnaient surtout l’impression que « nous savons presque tout, il suffit d’apprendre ceci », plutôt que « il reste énormément de grands problèmes non résolus, apprenez les maths et la physique pour les résoudre ».
Je me demande comment quelqu’un d’assez jeune en vient à se dire quelque chose comme : « Et si on révolutionnait quelques trucs ? Ce ne serait pas du tout étrange que je m’en charge. »
Cela dit, beaucoup des choses « faciles », celles qu’on pouvait trouver en réfléchissant autour d’une table basse, ont déjà été largement exploitées ; aujourd’hui, il faut plutôt un effort obstiné, affiné pendant des années jusqu’au niveau des conférences.
Il y a toujours de grands problèmes non résolus. Parce que chaque réponse à une question fait naître encore plus de questions.
Il n’est pas nécessaire d’être un génie : il suffit d’être assez bon et intéressé. Je dirais qu’environ 10 % des enfants y participent.
Au Royaume-Uni, des exemples comparables seraient les concours UKMT ou Kangaroo.
Au niveau secondaire, il existe aussi une revue de mathématiques de concours vieille de 130 ans, KOMAL, avec plusieurs niveaux de difficulté ; mais ceux qui deviennent mathématiciens réussissent aussi les épreuves les plus difficiles. En Hongrie, les mathématiques sont un domaine très sélectif.
C’est ainsi que, depuis plus de 100 ans, à travers trois ou quatre régimes politiques différents, la Hongrie a maintenu des programmes de soutien aux élèves doués à plusieurs niveaux.
C’est extrêmement inspirant. Quels autres domaines complexes attendent encore que la bonne personne vienne en découvrir les lois fondamentales ? J’ai le vague soupçon que les équations aux dérivées partielles sont criminellement sous-utilisées dans la modélisation du développement logiciel et de la conception de systèmes.
Pour les personnes intéressées, j’ai écrit une courte critique ici : https://two-wrongs.com/war-what-is-it-good-for.html
Au début du XXe siècle, la Hongrie comptait un groupe de scientifiques presque incroyable. Malheureusement, le fascisme les a poussés à l’exil.
von Neumann était le génie des génies.
Même les gens de Los Alamos soupçonnaient von Neumann de fonctionner à un autre niveau qu’eux.
Selon Wikipedia, le lauréat du prix Nobel Hans Bethe a dit : « Je me suis parfois demandé si un cerveau comme celui de von Neumann n’indiquait pas une espèce supérieure à l’être humain », et Edward Teller a déclaré : « Quand von Neumann parlait avec mon fils de trois ans, ils discutaient comme deux égaux. Je me suis parfois demandé s’il n’appliquait pas le même principe quand il nous parlait. »
Après le retour de Fermi à Chicago, il a appelé Herbert Anderson, son proche collaborateur depuis Columbia jusqu’à ses derniers instants, et lui a dit : « Herb, tu sais à quel point je pense plus vite que toi. Von Neumann pense d’autant plus vite que moi. »
Cette histoire et quelques autres se trouvent ici : http://infoproc.blogspot.com/2012/03/differences-are-enormou...
Si je lui expliquais quelques-uns des problèmes sur lesquels je travaille actuellement, j’ai l’impression qu’il en saisirait immédiatement le cœur. Son parcours est tout simplement incroyablement impressionnant. Il a inventé le tri fusion, et pourtant cela ne représente qu’un détail secondaire dans son œuvre.
Ses accomplissements suffiraient à remplir les CV de 50 lauréats du Nobel. Et puisqu’il paraît qu’il avait en plus une forte personnalité, j’aurais vraiment aimé pouvoir discuter librement avec lui.
Selon la théorie des jeux, c’était la seule option rationnelle. Voilà aussi ce que peut signifier être le génie des génies.
Dans l’article et dans d’autres textes liés par l’auteur, j’ai essayé de déterminer clairement quelles contributions originales von Neumann avait concrètement apportées à l’informatique.
Ce que j’ai pu comprendre de mieux, c’est qu’il était un « généraliste » et qu’il a popularisé, bien au-delà de ce qu’avaient prévu les ingénieurs qui avaient conçu ces machines, les principes développés pendant les travaux sur l’ENIAC et l’EDVAC. Les ingénieurs ne semblent pas avoir beaucoup apprécié
Je n’ai pas l’impression que les détails concrets de l’architecture des ordinateurs aient été ses idées. Si cette impression est fausse, je serais heureux d’être corrigé
En particulier, la méthode consistant à stocker le programme dans la même mémoire que les données me paraît être une arme à double tranchant, vu qu’elle est devenue pendant des années une source inépuisable de failles de sécurité
L’idée qu’il ne doive pas y avoir de distinction fondamentale entre « programme » et « données » était originale et loin d’être évidente. La machine de Turing repose aussi sur cette idée
von Neumann a été immensément important dans les débuts de l’informatique, et ses contributions ne peuvent en aucun cas être sous-estimées. Knuth lui attribue la sous-routine, l’un des concepts les plus fondamentaux de toute la programmation. Turing a eu des idées similaires au Royaume-Uni à peu près à la même époque
Plus concrètement, von Neumann a proposé le concept de générateur pseudo-aléatoire ainsi que le premier algorithme pratique en la matière, la méthode du carré médian. Les générateurs pseudo-aléatoires n’ont rien d’évident. Avant cela, on n’avait tenté que des tables de nombres aléatoires ou des générateurs matériels primitifs, et c’est lui qui a eu l’idée de produire des nombres aléatoires au moyen des opérations arithmétiques déjà présentes dans l’ordinateur
Il a également créé le tri fusion, le premier algorithme de tri pratique pour ordinateur au monde. Les débuts de l’informatique sont vraiment remplis d’idées issues de von Neumann
L’auteur de cet article écrit vraiment très bien. Le reste de son blog, ainsi que la liste de blogs de 3quarksdaily, valent aussi la peine d’être examinés de près
Si vous cherchez une biographie romancée et dramatique de von Neumann et de son entourage, je recommande vivement The MANIAC
https://bookshop.org/p/books/the-maniac-benjamin-labatut/196...
Je recommande vivement The Man from the Future: The Visionary Life of John von Neumann d’Ananyo Bhattacharya. Il couvre non seulement cette période, mais aussi plusieurs de ses autres contributions, comme la théorie des jeux
En revanche, le passage où l’auteur présente la femme qui a été le grand amour de la vie de von Neumann, puis enchaîne presque aussitôt sur leur mariage, m’a fait rire malgré lui. Ils se connaissaient depuis l’enfance, mais elle n’apparaissait absolument pas dans le livre jusque-là, alors que, si je me souviens bien, les pages précédentes racontaient ses années de fac plutôt débridées
Je devrais garder en tête cette formule : « parler de science non linéaire, c’est comme appeler la majeure partie de la zoologie l’étude des animaux qui ne sont pas des éléphants »
Ce n’est pas de JvN, mais c’est marquant
JvN s’est penché vers Ulam et a murmuré : « Au moins, ils sont sur un plan »
À titre de conjecture personnelle, sans l’apport de John von Neumann à la bombe au plutonium, il est fort possible que nous n’ayons toujours pas de bombe à hydrogène aujourd’hui
La raison est la suivante. Les États-Unis disposaient déjà d’une conception viable : une bombe à base d’uranium 235, celle larguée sur Hiroshima. De plus, comme alternative à la bombe au plutonium, il existait aussi la bombe à U-233. Glenn Seaborg, qui a découvert le plutonium et plusieurs autres éléments, a été chargé d’étudier la faisabilité d’une bombe à U-233, et a conclu qu’elle était possible. En fait, quelques années après la guerre, les États-Unis ont construit et testé une telle bombe. Mais comme la bombe au plutonium était devenue possible grâce à l’aide de von Neumann, ils n’ont pas suivi cette voie
Si von Neumann avait consacré son temps à un autre problème, les États-Unis auraient pu se concentrer sur la bombe à U-233
À la fin de la guerre, les Soviétiques ont décidé de voler les secrets pour fabriquer leur propre bombe, et Staline a exigé une copie exacte de la bombe de Nagasaki, qui a été testée en 1949. Si les seules options avaient été l’U-233 et l’U-235, ils auraient choisi l’une des deux plutôt que d’explorer une conception incertaine
Passer de la bombe à uranium à la bombe à uranium enrichi n’est qu’un petit pas. Le monde aurait donc vu des bombes bien plus puissantes que celles larguées sur le Japon. En réalité, des bombes à fission proches de 1 mégatonne ont bien été fabriquées et testées
Mais la bombe à hydrogène est fondamentalement une bombe à implosion. Elle a été un sous-produit d’une compréhension plus approfondie de la conception par implosion. Les États-Unis ont notamment compris que si l’on pouvait produire une implosion avec des explosifs conventionnels, on pouvait le faire encore mieux avec une explosion nucléaire, et ont conçu puis testé une bombe à fission à deux étages appelée Castle Nectar. C’est la seule bombe non thermonucléaire à avoir dépassé 1 mégatonne, avec une puissance de 1,8 mégatonne
Les recherches d’Ulam portaient précisément sur cette bombe à deux étages, et il a dit à Teller que si le principe fonctionnait lorsque le second étage était une bombe à fission, il pourrait peut-être aussi fonctionner avec une bombe à fusion. Teller y a ajouté sa propre intuition, et cela a fini par réussir
Fuchs a transmis aux Soviétiques, entre autres, la conception Neumann-Fuchs, mais, comme les États-Unis, les Soviétiques l’ont mise de côté et sont arrivés indépendamment à une conception Teller-Ulam
Ainsi, même si Teller et Ulam l’ont finalement emporté, Von Neumann semble avoir été profondément impliqué dans le développement de la bombe à hydrogène, au-delà du prérequis qu’était la mise au point de la bombe au plutonium à implosion
L’utilité du plutonium aurait fini par être découverte, et la méthode consistant à faire imploser le combustible de fusion par transfert thermique aux rayons X aussi. Le monde ne fonctionne pas comme s’il dépendait d’un point de défaillance unique incarné par une seule personne
La vidéo YouTube de la référence 11 a été retirée, mais je l’ai trouvée sur Internet Archive : https://web.archive.org/web/20200626032839/https://www.youtu...
Je viens de la regarder : la qualité d’image est médiocre, mais c’était très intéressant. La vidéo date de 1966, et beaucoup de personnes qui l’ont connu y parlent de von Neumann
C’était vraiment un excellent article
C’est un peu dommage qu’il n’ait même pas eu droit à un caméo dans le film Oppenheimer
Le livre mentionné par l’auteur, Turing's Cathedral, est également une excellente lecture pour ceux qui ont aimé cet article et veulent en savoir davantage