被遗忘的计算物理学先驱者

当我们回顾计算机发展的早期阶段时，一些熟悉的名字会浮现出来，其中包括冯·诺依曼(John von Neumann)、梅特罗波利斯(Nicholas Metropolis)和费曼(Richard Feynman)。但他们并非孤独的先驱者——他们是一个更庞大群体的一部分。这个群体先使用机械计算机，随后使用电子计算机，完成了此前从未实现的计算。

这些人(其中包括许多女性)是最早的科学程序员和计算科学家。她们精通早期计算设备复杂而繁琐的操作，往往拥有数学或科学领域的学位，是科研工作中不可或缺的一部分。然而，她们所做出的基础性贡献，却大多被遗忘了。

这种被忽视，部分原因在于她们的性别。那是一个性别歧视盛行的年代，女性在结婚后被解雇几乎成了常态。然而，还有一个同样重要、却经常被忽略的因素，即便在今天的科学界也不例外——技术岗位上的从业者仍然得不到应有的重视与认可，尽管正是她们让科研顺利进行。

被忽视的身影。MANIAC是一台可编程计算机，于1952年至1958年间在美国的洛斯阿拉莫斯建造并投入使用。负责运行的是一支由科学家、数学家和工程师组成的大型团队。然而，在关于这一重要项目的记录中，后两类人——其中许多人是女性——却往往被忽略

人类计算员与机械计算机

最初，“computer”指的是人，是用手工或借助机械计算器来完成计算的人。据信，世界上第一个计算实验室于1937年建立于美国的哥伦比亚大学。但直到第二次世界大战，计算需求才真正爆发。这源于火炮弹道计算、新技术研发以及密码破译的迫切需要。

人类计算机。“computer”这一术语最初指的是用手工进行计算的人。图中，Kay McNulty、Alyse Snyder和Sis Stump正在宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院地下室操作微分分析机，时间约为1942年至1945年

在美国，曼哈顿计划(1943年成立)期间的原子弹研发，需要巨大的计算工作量。因此，新墨西哥州的研究基地很快就组建了一支手工计算小组。该小组隶属于理论部，称为T-5小组，最初大约有20人。成员中大多数是女性，其中包括其他科研人员的配偶。她们之中有数学家Mary Frankel，她的丈夫是物理学家Stan Frankel；还有数学家Augusta “Mici” Teller，其丈夫是被称为“氢弹之父”的泰勒(Edward Teller)：以及Jean Bacher，她的丈夫是物理学家Robert Bacher。

随着战争的持续，T-5小组不断扩充，新成员包括来自附近城镇的平民，以及美国女子陆军部队的成员。工作人员昼夜不停地工作，每四小时轮班一次，依靠印刷好的数学表和桌面计算器完成计算。但即便如此，仍然无法满足原子弹研发对计算的巨大需求。1944年初春，IBM穿孔卡片机被引入用以补充人力计算的不足。这些机器效率极高，很快便被用于所有大型计算任务，它们全天24小时运转，分三班进行。

计算小组继续壮大，新加入的成员中包括Naomi Livesay和Eleonor Ewing。Livesay拥有数学高等学位，并接受过IBM电动计算机的操作与编程培训，因此成为T-5部门的理想人选。随后，她又招募了Ewing，Ewing同样是数学家，这两位年轻女性负责全天候监管IBM计算机的运行。

T-5小组这种紧张而高强度的工作节奏，一直持续到1945年9月战争结束。原子弹的研制需要极其庞大的计算工作量，而正是通过人工计算与穿孔卡片计算，这一切才得以实现。

电子计算机

二战结束后不久，第一台完全电子化、通用的计算机——电子数值积分计算机(ENIAC)——在宾夕法尼亚大学投入运行。该项目历时两年完成，由物理学家John Mauchly和电气工程师J. Presper Eckert领导。这台机器的运行与编程工作由6位女性承担。

世界第一。ENIAC是世界上第一台可编程的、电子化的、通用数字计算机。它于1945年在美国陆军弹道研究实验室建成，1946年迁至宾夕法尼亚大学。最初负责其编程与操作的6人团队全部为女性，其中包括Betty Jean Jennings(照片左)和Frances Bilas(照片右)。图中她们正在为1946年2月的演示日做准备

博学多才的学者冯·诺依曼也参与其中。当时，他正在为1947年于美国新墨西哥州成立的洛斯阿拉莫斯实验室寻找更强的计算能力。事实上，尽管ENIAC最初是为解决弹道轨迹问题而设计的，但它运行的第一个计算任务却是“洛斯阿拉莫斯问题”。这是一项由泰勒团队提出的热核可行性计算，用于研究氢弹。

与曼哈顿计划类似，ENIAC项目中也有多对夫妻档共同工作。其中最著名的是冯·诺依曼及其妻子Klara Dán von Neumann，以及数学家Adele Goldstine和Herman Goldstine。Dánvon Neumann尤其与Nicholas Metropolis密切合作。后者与数学家Stanislaw Ulam一起，创造了“蒙特卡罗”这一术语，用来指代基于随机抽样的数值方法。事实上，在1948年至1949年间，Dán von Neumann 和 Metropolis在电子计算机上完成了第一批蒙特卡罗模拟计算。

1948年，洛斯阿拉莫斯开始研制一台新型计算机——数学分析数值积分与自动计算机(MANIAC)。1952年3月，这台机器完成了首次大规模流体力学计算。它的使用者中有许多是物理学家，而其操作与编程人员则包括很多女性数学家。

早期算法

洛斯阿拉莫斯的科学家们在MANIAC上尝试了各种各样的项目，其中甚至包括一个下棋程序。这是有记录以来，机器首次在棋类游戏中击败人类。不过，其中有两个项目尤为突出，因为它们对计算科学产生了深远影响。

1953年，泰勒夫妇与Metropolis，以及物理学家Arianna Rosenbluth和Marshall Rosenbluth夫妇共同发表了奠基性论文《利用快速计算机进行状态方程计算》(Equation of state calculations by fast computing machines)，这项工作提出了后来被称为“Metropolis算法”(随后更名为Metropolis—Hastings算法)的核心思想。这是一种基于“重要性采样”概念的蒙特卡罗方法。(尽管Metropolis参与了蒙特卡罗方法的发展，但看起来他并未直接参与该论文的写作，而是提供了MANIAC夜班计算资源。)这一算法成为马尔可夫链蒙特卡罗方法的源头，而后者如今已广泛应用于科学与工程领域。

Marshall后来回忆说，这项研究源于他与Arianna提出的一个想法。他们建议利用MANIAC来研究固体是如何熔化的。与此同时，泰勒提出，应当采用统计力学的方法，与其逐一追踪每个粒子的详细运动，不如对体系取系综平均。在最初阶段，其他人也协助完成了编程工作，不过大部分具体研究由Rosenbluth夫妇完成。其中，Arianna负责将这些物理概念转化并实现为算法。

这篇1953年的论文意义非凡。它不仅催生了Metropolis算法，也是最早利用数字计算机模拟物理体系的实例之一。这项工作的主要创新在于发展了“重要性采样”。该方法不再从完全随机的构型中取样，而是有倾向地选择在物理上更重要、对积分贡献更大的构型上采样。

此外，这篇论文还引入了另一项计算技巧，即“周期性边界条件”(PBCs；译者注：此处原文时间有误，PBCs方法最早由伯恩和冯卡门在1912年提出)。这是一组常用条件，通过一个称为“晶胞”的小区域，来近似描述一个无限大的体系。重要性采样和周期性边界条件，后来都成为计算物理中的基础方法。

高技能角色。操作ENIAC既需要分析能力，也需要扎实的技术技能。上图：1946年，在摩尔电气工程学院，Irwin Goldstein正在为ENIAC的一张函数表设置开关；下图：约1946年，Gloria Gordon(蹲着)与Ester Gerston(站立)正在为ENIAC右侧布线，加载一个新程序

1953年夏天，物理学家费米(Enrico Fermi)、John Pasta、数学家Stanislaw Ulam、Mary Tsingou也利用MANIAC取得了一项重要突破。他们进行了一次“数值实验”，作为一个系列研究的一部分。这些研究旨在展示电子计算机在探索各种物理现象中的潜在用途。

研究团队建立了一个带有微弱非线性的、一维振子链模型，希望检验该系统是否会如假设那样演化，并最终达到一种平衡状态，使能量在各个模式之间均匀分配。然而，最后的结果表明，在微小扰动条件下，这种结果并非必然出现。这一发现既不平凡，也不直观，如果没有数值模拟，是无法预见的。这是物理学史上第一次，并非通过理论推导或实验手段，而是借助计算方法取得的科学发现。它后来引出了孤子和可积模型的发现，推动了混沌理论的发展，并加深了人们对遍历极限的理解。

尽管论文中写明这项工作由四位科学家共同完成，但Tsingou的贡献却被忽视了。相关成果长期以来被称为“Fermi—Pasta—Ulam问题”。直到2008年，法国物理学家Thierry Dauxois在Physics Today 杂志上撰文，呼吁应当给予她应有的署名，Tsingou的贡献才终于得到正式承认。如今，这一发现被称为“Fermi—Pasta—Ulam—Tsingou问题”。

1953年，IBM的第一台商用、全电子计算机——IBM701——也被引入洛斯阿拉莫斯。不久之后，理论部就拥有了两台这样的机器。再加上MANIAC，科学家们第一次获得了前所未有的计算能力。利用这些新设备的研究人员中，包括Martha Evans(关于她的资料至今所知甚少)以及理论物理学家Francis Harlow。他们开始着手研究一个当时几乎无人涉足的领域——计算流体力学。

这一方法的基本思路是把计算区域划分为网络单元，使用由网格单元组成的计算区域。流体被表示为粒子，并在这些单元之间运动。这种计算方法使得在二维和三维条件下，求解复杂的流体力学问题成为可能，这些问题往往涉及流体的大幅变形和强烈压缩。事实证明，该方法极其有效。它后来成为等离子体物理中的标准工具，被应用于从天体物理等离子体到聚变能研究的几乎所有相关课题。

最终形成的洛斯阿拉莫斯内部报告《用于流体力学计算的粒子—网格方法》于1955年发表。报告将Evans列为第一作者，并对包括她在内的8位人员在机器计算方面的工作表示了致谢。然而，之后Harlow被后人铭记为计算流体力学的奠基者之一，Evans的名字却逐渐被历史遗忘。

清晰分明的分工？

在女性几乎无法进入科研前沿的年代，战争中的计算需求却将大量女性研究人员和技术人员带入了研究体系。随着她们的贡献逐渐被看见，人们愈发清楚地认识到，她们的角色绝非只是简单的文书性工作。

2018年，物理学家Giovanni Battimelli 和 Giovanni Ciccotti 曾写道，程序员的工作是“连接(程序员往往并不真正理解的)物理学家思想与(物理学家同样也不熟悉的)计算机指令之间的关键纽带”。然而，我们所看到的案例表明，这种看法并不全面。一些程序员对物理问题有着扎实理解，而一些物理学家也熟悉计算机的运行方式。与其说存在“熟练与非熟练”或“男性与女性”的清晰分隔，不如说当时的分工本就模糊不清。实际上，那更像是物理学家、数学家与工程师之间高效而紧密的合作。

例如，即便在电子计算机尚未出现的T-5小组早期阶段，Livesay和Ewing也并非只是执行者。例如，她们曾旁听过冯·诺依曼的数学讲座，并向他介绍穿孔卡片的操作方式。正如Ruth Howes和Caroline Herzenberg在《在阳光下的她们》(Their Day in the Sun)一书中所记载的那样，她们还参加了由奥本海默及其他项目负责人主持的每周学术讨论会。这些事实表明，她们不应被简单地视为对物理“一无所知”的人工计算员或机器操作员。Verna Ellingson是另一位被遗忘的程序员，关于她的资料所剩无几，但她作为最后作者，署名出现在1955年的一篇论文中。该论文由她与Metropolis以及物理学家霍夫曼(Joseph Hoffman)共同撰写。次年，她又作为第一作者，与数学物理学家Roger Lazarus、Metropolis 和 Ulam合作发表了文章。她还曾与物理学家伽莫夫(George Gamow)合作，尝试破解DNA在选择氨基酸时所使用的编码机制。这些经历显示了她所参与研究领域的广泛性。

Evans不仅与Harlow合作开展研究，还参加了1959年关于自组织系统的学术会议。在会上，她就人类与机器学习的问题，向人工智能先驱FrankRosenblatt提出了质询。在那个女性很少出现在此类会议上的年代，她的出席本身就表明，我们不应将她视为“只是一个程序员”。

鉴于她们广泛而多样的贡献，Evans、Ellingson、Tsingou以及许多其他人，很可能都是名副其实的研究人员，甚至可能是最早的一批计算科学家。洛斯阿拉莫斯的历史学家Nicholas Lewis指出：“这些女性所从事的工作，与今天洛斯阿拉莫斯实验室XCP(武器计算物理)部门的计算物理学家所做工作本质上是一样的。他们既需要对所研究的物理问题有深入理解，也需要知道如何将问题映射到所使用计算机的具体架构上。”

曾被忽视，如今依然被忽视

无论是否被署名，这些开创性的女性及其贡献，大多都被历史遗忘了。直到近几十年，她们的角色才再次浮出水面。但问题在于，她们当初为何会被历史遮蔽？

保密制度与性别歧视，似乎是其中最主要的原因。例如，Livesay因其女性身份，被禁止攻读数学博士学位。而在许多科研夫妻搭档中，团队成果往往被完全归功于丈夫。1945年，曼哈顿计划的存在才首次向公众公布，但至今仍有大量涉及核武器的文件处于保密状态。由于这些资料继续保持秘密状态，我们或许将永远无法了解这些先驱者贡献的全部范围。

但还有一个常被忽视的原因，那就是人们长期低估了计算科学家和科研软件工程师所扮演的关键角色。“科研软件工程师”这一称谓，甚至直到十多年前才被正式提出。即便在今天，这些非传统的科研岗位依然得不到应有的重视。以英国软件可持续性研究所在2022年进行的一项调查为例，只有59%的科研软件工程师被列为论文作者，还有不到四分之一(24%)的人在致谢或正文中被提及，而约六分之一(16%)的人完全没有被提到。

将“理解物理的人”与“编写代码、理解并操作硬件的人”区分开来，这种观念可以追溯到计算机发展的早期阶段。但即便在当时，这种划分也并不完全准确。那些负责实现复杂科学计算的人，并不仅仅是程序员，或是熟练的超级计算机操作员，他们实际上是真正的跨学科科学家，对科学问题本身、数学原理、计算方法以及硬件体系都有深入理解。

无论性别是什么，正是这样一群人在推动科学进步中发挥着关键作用。然而，他们往往只是默默无闻的英雄，成就被他人所分享。这些被遗忘的计算物理先驱的故事，或许提醒我们，一些源自20世纪50年代的观念，至今仍在影响着我们。而现在正是真正向前迈进的时间节点。

来源：中国物理学会期刊网

编辑：子木

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