존 폰 노이만
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1. 개요
존 폰 노이만은 1903년 오스트리아-헝가리 제국 부다페스트에서 태어난 수학자, 물리학자, 컴퓨터 과학자, 경제학자이다. 그는 수학, 물리학, 컴퓨터 과학, 경제학 등 다양한 분야에서 혁신적인 업적을 남겼으며, 프로그램 내장 방식(폰 노이만 구조)을 고안하고, 게임 이론을 정립하는 등 20세기 가장 영향력 있는 학자 중 한 명으로 평가받는다. 그는 양자역학의 수학적 기초를 다지고, 자기 복제 오토마타 연구를 통해 인공 생명 분야의 선구적인 역할을 했으며, 수치 일기 예보와 기후 모델링에도 기여했다. 또한, 핵무기 개발에도 참여했으며, 기술적 특이점 가설을 제시하기도 했다.
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존 폰 노이만 - [인물]에 관한 문서 | |
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지도 정보 | |
기본 정보 | |
이름 | 존 폰 노이만 |
원어 이름 | John von Neumann |
출생 이름 | 너이만 야노시 러요시 |
로마자 표기 | Neumann János Lajos |
IPA 표기 | |
독일어 이름 | 요한 루드비히 폰 노이만 |
출생일 | 1903년 12월 28일 |
출생지 | 오스트리아-헝가리 제국 부다페스트 |
사망일 | 1957년 2월 8일 |
사망지 | 미국 워싱턴 D.C. |
거주지 | 미국 |
국적 | 헝가리 미국 |
키 | 175cm |
직업 | |
분야 | 논리학 수학 수리물리학 이론물리학 통계학 경제학 컴퓨터 과학 이론생물학 화학 컴퓨팅 |
근무 기관 | 괴팅겐 대학교 베를린 대학교 함부르크 대학교 프린스턴 대학교 프린스턴 고등연구소 로스앨러모스 국립 연구소 국방연구위원회 미국 국방부 미국 원자력위원회 |
학력 | 파즈마니 페테르 대학교 베를린 대학교 ETH 취리히 |
박사 학위 논문 제목 | Az általános halmazelmélet axiomatikus felépítése (일반 집합론의 공리적 구성) |
박사 학위 취득 년도 | 1925년 |
박사 지도 교수 | 페이예르 리포트 |
학문 지도 교수 | 라츠 라슬로 세게 가보르 페케테 미하엘 퀴르샤크 요제프 다비트 힐베르트 에르하르트 슈미트 헤르만 바일 조지 폴리아 |
박사 지도 학생 | 도널드 B. 길리스 이스라엘 할페린 프리드리히 이그나츠 마우트너 |
주요 학생 | 유진 위그너 폴 할모스 피터 렉스 브누아 망델브로 |
알려진 업적 | 양자역학의 수학적 공식화 게임 이론 스펙트럼 이론 에르고딕 이론 폰 노이만 대수 존 폰 노이만 이름을 딴 것들의 목록 |
수상 | |
수상 내역 | 보셔 기념상 (1938년) 해군 공로 훈장 (1946년) 공로 훈장 (1946년) 자유 훈장 (1956년) 엔리코 페르미 상 (1956년) 칼 구스타프 로스비 연구 메달 (1957년) |
개인 정보 | |
배우자 | 마리에타 쾨베시 (1930년 결혼, 1937년 이혼) 클라라 단 (1938년 결혼) |
자녀 | 마리나 폰 노이만 휘트먼 |
기타 정보 | |
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2. 생애
1903년 헝가리 부다페스트에서 부유한 유대인 은행가 집안의 3형제 중 장남으로 태어났다.[215][216] 본명은 너이먼 야노시(Neumann János)였으나, 1913년 아버지가 귀족 작위를 받으면서 이름에 '폰(von)'이 추가되었고, 이후 독일식 이름인 요한 폰 노이만(Johann von Neumann)으로 불렸다.[220] 미국으로 이주한 후에는 존 폰 노이만(John von Neumann)이라는 이름을 사용했다.[230]
어린 시절부터 뛰어난 기억력과 계산 능력을 보였으며, 여러 언어와 역사에도 능통했다.[217][218][219] 1914년 부다페스트의 명문 루터 김나지움에 입학하여[221] 유진 위그너와 동문이 되었고,[222] 교사의 추천으로 대학 교수들에게 개인 교습을 받으며 수학적 재능을 키웠다.[223] 김나지움 재학 중 이미 수학 논문을 발표했으며,[225] 수석으로 졸업했다.[227][228]
아버지의 뜻에 따라 1921년부터 베를린 대학교와 취리히 공과대학교에서 화학공학을 공부하는 동시에,[229] 부다페스트 대학교에서 수학 박사 과정을 병행하여 1926년 두 분야의 학위를 모두 취득했다.[13] 이후 괴팅겐 대학교에서 다비트 힐베르트의 지도를 받았고,[230] 1927년부터 베를린 대학교에서 최연소 사강사(Privatdozent)로 활동했다.[230]
1930년 미국 프린스턴 대학교의 초빙을 받았고, 1933년 나치 정권을 피해 미국에 정착하여 프린스턴 고등연구소(IAS)의 종신 교수가 되었다.[230] 알베르트 아인슈타인, 헤르만 바일 등과 함께 연구소의 창립 멤버 중 한 명이었으며,[230] 1937년 미국 시민권을 취득했다.[230]
제2차 세계 대전 중에는 맨해튼 계획에 참여하여 원자폭탄 개발, 특히 나가사키에 투하된 팻맨 폭탄의 내파 방식 설계와 효율적인 폭발 고도 계산에 핵심적인 기여를 했다.[13][209][184] 초기 전자식 컴퓨터 ENIAC 프로젝트에도 참여했다.[231]
전후에는 미국 국방부, 중앙정보국(CIA), 미국 원자력 위원회(AEC) 등 정부 기관과 여러 기업의 고문을 맡으며[232][233][234] 미국의 국방 정책, 특히 핵무기와 대륙간탄도미사일(ICBM) 개발에 깊이 관여했다.[235] 그는 강력한 반공주의자로서 소련에 대한 강경한 입장을 취했다.[274][275]
1955년 암 진단을 받았는데,[26][27] 이는 핵 연구 과정에서의 방사선 노출과 관련이 있을 것으로 추정된다. 투병 중에도 미국 원자력 위원회 위원으로 활동하는 등 연구와 자문 활동을 계속했으며, 말년에는 가톨릭 신앙에 의지하려는 모습을 보였다.[30][31][28][29] 1957년 2월 8일, 워싱턴 D.C.의 월터 리드 육군 의료 센터에서 53세의 나이로 사망했으며, 뉴저지주 프린스턴 묘지에 안장되었다.[236][32]
2. 1. 유년 시절과 교육
폰 노이만은 1903년 12월 28일, 당시 오스트리아-헝가리 제국의 일부였던 헝가리 부다페스트에서 부유한 비종교적 유대인 가정의 3형제 중 첫째로 태어났다.[5][6] 그의 헝가리식 이름은 '''Neumann János Lajos|너이먼 야노시 러요시hu'''였고, 가족들은 그를 '연치'(Jancsi)라는 애칭으로 불렀다. 영어 이름으로는 존 루이스(John Louis)에 해당한다.아버지 Neumann Miksa|너이먼 믹셔hu(막스 폰 노이만)는 법학 박사 학위를 가진 은행가였으며, 상당한 재산을 모았다.[216] 그는 1880년대 후반 페치에서 부다페스트로 이주했다. 어머니는 Kann Margit|칸 마르기트hu(마가렛 칸)였다. 폰 노이만 가족은 부다페스트의 고급 아파트 꼭대기 층에 있는 18개의 방이 있는 집에서 살았다.
1913년 2월 20일, 아버지 막스는 오스트리아-헝가리 제국에 대한 공로를 인정받아 프란츠 요제프 1세 황제로부터 헝가리 귀족 작위를 받았다.[7] 이로 인해 가문은 '마르기타이'(margittai, 마르기타의)라는 세습 칭호를 얻게 되었고, 야노시의 이름은 마르기타이 너이먼 야노시(margittai Neumann János)가 되었다. 그는 나중에 이 이름을 독일식인 '''요한 폰 노이만'''(Johann von Neumann)으로 바꾸었다.
폰 노이만은 어린 시절부터 비범한 재능을 보인 신동이었다. 6살 때 이미 머릿속으로 8자리 숫자 두 개를 나눌 수 있었고[8] 고대 그리스어로 아버지와 농담을 주고받을 정도였다.[9][218] 그는 정규 교육을 받기 전인 10세까지 가정교사에게 교육을 받았다. 아버지는 자녀들이 모국어인 헝가리어 외에 다른 언어를 배우는 것이 중요하다고 생각하여 영어, 프랑스어, 독일어, 이탈리아어를 가르치게 했다. 8세가 되기 전에 폰 노이만은 미적분학의 미분과 적분에 익숙해졌고, 라틴어에도 능통했다. 특히 역사학에 깊은 관심을 보여, 빌헬름 온켄의 46권짜리 세계사 시리즈 Allgemeine Geschichte in Einzeldarstellungen|알게마이네 게쉬히테 인 아인첼다어슈텔룽겐de("일반 역사 개론")를 모두 읽고 내용을 거의 암기할 정도였다.[219] 가족은 그의 독서와 공부를 위해 집의 방 하나를 개인 도서관으로 만들어 주었다.
1914년, 폰 노이만은 부다페스트에서 엘리트 교육기관으로 알려진 루터교 학교인 파소리 김나지움(Fasori Evangélikus Gimnázium)에 입학했다. 이 학교는 유진 위그너(폰 노이만보다 1년 선배이자 친구), 시어도어 폰 칼만, 레오 실라르드, 에드워드 텔러 등 후일 "화성인"이라 불리게 되는 여러 뛰어난 과학자들을 배출한 곳이다. 위그너는 훗날 당시 헝가리에서 많은 천재가 나온 이유에 대해 "폰 노이만이 유일한 천재였다"고 말하기도 했다.
김나지움의 수학 교사였던 라슬로 라츠(László Rátz)는 폰 노이만의 뛰어난 수학적 재능을 일찍 발견하고 그의 아버지 막스와 상담하여, 그에게 나이에 맞는 일반 수학 대신 더 높은 수준의 수학을 가르쳐야 한다고 설득했다.[223] 아버지는 처음에는 아들이 동급생들과 함께 공부해야 한다고 생각했지만, 결국 아들이 학년은 유지하되 부다페스트 대학교의 수학자들로부터 개인 교습을 받도록 하는 데 동의했다.[223] 15세부터 폰 노이만은 해석학자 가보르 세괴(Segő Gábor)에게 고등 미적분학을 배웠는데, 세괴는 어린 폰 노이만의 수학적 능력과 이해 속도에 크게 감명받아 첫 수업 후 눈물을 흘렸다고 전해진다.[10][223]
김나지움 재학 중에도 폰 노이만의 학문적 성과는 두드러졌다. 17세였던 1920년에는 수학자 미하엘 페케테(Miklós Fekete)와 함께 첫 수학 논문을 발표했고,[225] 19세가 되기 전까지 두 편의 중요한 수학 논문을 발표했는데, 두 번째 논문에서는 게오르크 칸토어의 정의를 대체하는 서수의 현대적 정의를 제시했다.[11] 그는 김나지움 과정을 수석으로 마쳤으며, 졸업 시 수학 분야의 국가상인 에트뵈시 상(Eötvös-díj)을 수상했다.[228]
2. 2. 유럽에서의 학업과 경력
1921년 아비투어를 마친 폰 노이만은 산업계에서 일하기를 원했던 아버지의 뜻에 따라 베를린 대학교에 입학하여 화학공학을 공부하기 시작했다. 친구인 테오도르 폰 카르만에 따르면, 폰 노이만의 아버지는 아들이 수학을 전공하지 않도록 카르만에게 설득을 부탁하기도 했다.[12] 폰 노이만과 아버지는 최선의 진로가 화학 공학이라고 결정했지만, 폰 노이만은 화학에 대한 지식이 거의 없었기 때문에 베를린 대학교에서 2년간 비학위 화학 과정을 이수했다.1923년 9월, ETH 취리히 입학시험에 합격하여 화학공학 디플롬 과정을 시작했다. 동시에 부다페스트의 파즈마니 페테르 대학교에도 입학하여, 시험만으로 수학 철학 박사(Ph.D.) 과정을 이수했다.[13] 그의 박사 논문 주제는 칸토어의 집합론의 공리화였다.[14] 1925년 ETH 취리히 화학공학부에서 디플롬을 졸업했고, 1926년에는 ETH 취리히에서 화학 공학 학위를, 동시에 부다페스트 대학교에서 수학 박사 학위를 최우등으로 취득했다. 박사 과정에서는 실험 물리학과 화학을 부전공으로 이수했다.[15] 비록 화학공학을 공부했지만, 그의 주된 관심사는 항상 수학이었다.
이후 록펠러 재단의 장학금을 받아 괴팅겐 대학교로 가서 다비트 힐베르트 밑에서 수학을 공부했다. 이곳에서 그는 헤르만 바일, 포여 죄르지, 에미 뇌터 등 당대의 유명 수학자들과 교류했다. 바일은 1926년에서 1927년 겨울, 폰 노이만, 뇌터와 함께 수업 후 괴팅겐 거리를 걸으며 초복소수 시스템과 그 표현에 대해 논의했던 것을 회상하기도 했다.[16]
1927년 하빌리타치온(교수자격시험)을 통과했고, 1928년부터는 베를린 대학교 역사상 최연소 강사(Privatdozent)로 임용되어 강의를 시작했다. 1929년 여름 학기에는 함부르크 대학교에서 강사로 활동했다.
2. 3. 미국으로의 이주와 활동
1929년 10월 프린스턴 대학교의 초청을 받아 미국으로 건너가 수리물리학 객원 강사로 활동하기 시작했다.[17] 1930년에는 가톨릭으로 세례를 받고 마리에타 쾨베시(Marietta Kövesi)와 결혼했으나, 1937년 11월 이혼했다.[19][20] 1938년 11월에는 클라라 댄(Klára Dán)과 재혼했다.[178]1933년 나치 정권의 유대인 탄압을 피해 미국에 정착하기로 결정하고 프린스턴 고등연구소(IAS)의 종신 교수직을 수락했다. 그는 연구소 최초의 교수진 4명 중 한 명이었으며, 이후 세상을 떠날 때까지 고등연구소의 수학교수로 재직했다. 1937년 미국 시민권을 취득했으며,[230] 1939년에는 그의 어머니와 형제들, 처가 식구들도 미국으로 이주했다. 그는 미국 학계에서 활발히 활동하며 많은 학자들과 교류했고, 특히 수학자 스타니스와프 울람과 절친한 사이였다.[25] 프린스턴 시절, 1936년부터 1938년까지 앨런 튜링이 방문 연구원으로 머물며 폰 노이만의 지도로 박사 학위를 받았다.
제2차 세계 대전이 발발하자, 폰 노이만은 1930년대 후반부터 연구해 온 폭발 현상과 성형작약에 대한 전문성을 바탕으로 군사 자문에 참여하게 되었다. 이는 곧 맨해튼 계획 참여로 이어졌으며, 뉴멕시코주 로스앨러모스 연구소를 자주 방문하며 연구를 수행했다.[13] 그는 나가사키에 투하된 팻맨 원자폭탄의 핵심 요소인 폭축 렌즈의 개념을 구체화하고 설계하는 데 결정적인 기여를 했다.[13] 당시 많은 동료들이 회의적으로 여겼던 플루토늄 기반 폭탄의 내파 방식 설계를 강력히 지지하고 개발을 독려했으며, 더 적은 핵분열 물질로 강력한 폭발을 일으키는 아이디어를 제시했다. 또한, 폭탄의 위력을 극대화하기 위해 목표물 상공에서 폭발시키는 것이 효과적이라는 계산 결과를 제시했는데, 이는 히로시마와 나가사키 원폭 투하에 실제로 적용되었다.[209][184] 그는 목표물 선정 위원회에도 참여했으며, 문화적 중심지라는 이유로 교토를 첫 번째 목표로 제안했으나 헨리 L. 스팀슨 전쟁장관에 의해 기각되었다.[176] 1945년 7월 16일, 그는 트리니티 핵실험을 직접 목격했다.


전후 로버트 오펜하이머 등 일부 과학자들이 핵무기 개발에 회의적인 태도를 보인 것과 달리, 강경한 반공주의자였던 폰 노이만은 미국의 핵 정책을 꾸준히 지지했다.[180] 그는 에드워드 텔러 등과 함께 수소폭탄 개발에 착수했으며, 1946년 클라우스 푸흐스와 함께 핵융합을 일으키는 방식에 대한 비밀 특허를 출원하기도 했다.[177] 비록 이 방식은 최종 설계에 채택되지 않았으나, 관련 연구는 이후 수소폭탄 개발 실험에 기여했다.[178] 전시 공로를 인정받아 1946년 해군 뛰어난 민간인 봉사상과 공로훈장을 받았다.[208]
1950년대에 들어 폰 노이만은 미국 정부의 핵심적인 과학 자문 역할을 수행했다. 1950년 무기체계평가그룹(WSEG)과 특수무기프로젝트(AFSWP)의 고문이 되었고, 이후 중앙정보국(CIA), 미국 원자력 위원회(AEC) 일반자문위원회, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 미국 공군 과학자문그룹 등 다양한 기관에서 자문 활동을 펼쳤다.[182] 그는 미 국방부 내에서 "슈퍼스타" 국방 과학자로 불릴 만큼 높은 신뢰를 받았다.[40]
특히 그는 소련과의 냉전 구도 속에서 대륙간탄도미사일(ICBM) 개발의 중요성을 강력히 주장했다. 공군 자문위원회 등에서 ICBM 개발의 기술적 가능성을 역설하고, 관련 위원회의 위원장 및 위원으로 활동하며 정부 보고서와 의회 증언을 통해 ICBM 개발의 필요성을 설득했다. 그의 노력은 1955년 드와이트 D. 아이젠하워 대통령이 ICBM 개발을 국가 최우선 과제로 지정하는 데 결정적인 역할을 했다. 그는 소련에 대응하기 위한 상호확증파괴(MAD) 전략 수립에도 관여한 것으로 알려져 있다.
1955년 폰 노이만은 과학자가 오를 수 있는 최고위직인 미국 원자력 위원회(AEC) 위원으로 임명되었다.[275] 이 자리에서도 그는 ICBM에 탑재할 소형 수소폭탄 개발과 생산을 강력히 추진했으며,[276] 암 투병 중에도 ICBM 위원회를 이끌며 관련 논의를 주도했다. 그가 개발을 주도했던 SM-65 아틀라스와 타이탄 미사일은 그가 사망한 후 실전 배치되었다.[250]
폰 노이만이 이처럼 군사 및 정부 활동에 깊이 관여한 것은 나치즘, 파시즘, 소련식 공산주의와 같은 전체주의로부터 자유와 문명을 수호해야 한다는 신념 때문이었다.[180] 그는 스스로를 "맹렬한 반공주의자이며, 일반적인 것보다 훨씬 더 군국주의적"이라고 표현하기도 했다.[96][109]
2. 4. 투병과 사망
1955년 폰 노이만은 암 진단을 받았다. 쇄골 부근에서 발견된 종양은 뼈 종양, 췌장암 또는 전립선암에서 기원하여 전이된 것으로 판명되었으나, 원발암의 정확한 위치에 대해서는 자료마다 차이가 있다.[26][27] 이 암은 그가 로스앨러모스 국립 연구소에서 일하는 동안 노출된 방사선 때문일 가능성이 제기된다.[26][27]암 진단과 죽음이 임박했다는 통보는 그를 죽음에 대한 공포로 몰아넣었다. 이 시기 폰 노이만은 젊은 시절 세례받았던 로마 가톨릭교 신앙에 다시 의지하게 되었다. 그는 생전에 파스칼의 내기를 언급하며 "불신자에게 영원한 저주가 내려질 가능성을 고려하면 신자가 되는 것이 더 합리적"이라고 말하곤 했으며, 어머니에게는 "신은 없는 것보다 있다고 보는 편이 더 많은 것을 설명해준다"고 이야기했다고 전해진다.[30][31] 하지만 에이브러햄 페이스(Abraham Pais)나 오스카르 모르겐슈테른(Oskar Morgenstern) 등 동료들은 그가 암에 걸리기 전까지는 평생 불가지론적인 태도를 보였다고 증언한다. 임종이 가까워졌을 때 그는 사제를 요청했으나, 사제는 훗날 폰 노이만이 개종을 통해 큰 위안을 얻지는 못했으며 최후의 성사를 받았음에도 여전히 죽음을 두려워했다고 회상했다.[28][29]
투병 중에도 그는 연구와 자문 활동을 멈추지 않았다. 암은 전신으로 전이되었지만, 그는 계속 활발하게 활동하며 미국 원자력 위원회 위원으로서, 그리고 미국 정부의 자문으로 중요한 역할을 계속 수행했다. 미국 원자력 위원회 초대 위원장 루이스 스트로스(Lewis Strauss)는 "어느 날 국방부가 노이만에게 상담을 요청하게 되었는데... 이민자였던 그의 침대는 이제 미국 국방장관, 차관, 육해군 장관과 참모총장들로 둘러싸여 있었다"고 회상했다.
폰 노이만은 죽기 전까지 괴테의 《파우스트》 구절들을 암송하기를 즐겼다. 그는 1957년 2월 8일 워싱턴 DC의 월터 리드 육군 의료 센터에서 53세의 나이로 사망했으며,[32] 뉴저지주 프린스턴에 있는 프린스턴 묘지에 안장되었다.[32]

3. 수학 분야 업적
폰 노이만은 순수 수학과 응용 수학 양쪽에서 방대한 업적을 남겼다. 순수 수학 분야에서는 수리논리학, 집합론, 측도론, 함수 해석학, 작용소환론, 에르고드 이론 등을 깊이 연구했다. 특히 집합론에서는 정칙성 공리와 클래스 개념을 도입하여 현대 집합론의 기초를 다지는 데 기여했으며, 수리논리학에서는 괴델과 독립적으로 제2 불완전성 정리를 발견하기도 했다. 그의 집합론, 함수해석학, 격자 이론, 에르고드 이론 등에 대한 상세한 업적은 관련 하위 문단에서 자세히 다룬다.
게임 이론의 정립에도 크게 기여했는데, 특히 미니맥스 정리의 증명은 수학뿐만 아니라 경제학, 경영학, 군사학(작전 연구), 컴퓨터 과학(제로섬 게임 전략, 인공지능 체스 프로그램 등) 등 다양한 분야에 큰 영향을 미쳤다.[237] 오스카 모르겐슈테른과 함께 게임 이론을 경제학에 도입한 것은 그의 중요한 경제학적 공헌으로 평가받으며, 현대 경제학의 주요 분야로 자리 잡게 되었다. 또한, 경제성장이론에서는 폰 노이만 다부문 성장 모형을 제시하고 생산집합과 재생산 개념을 도입했으며, 브라우어의 고정점 정리를 이용해 경제 균형의 존재를 증명하기도 했다.
컴퓨터 과학 분야에서도 선구적인 업적을 남겼다. 1944년 ENIAC의 존재를 알게 된 후, 고속 계산 능력의 중요성을 간파하고 EDVAC 개발에 참여하여 프로그램 내장 방식 개념을 제안했다. 이 아이디어는 EDVAC 관련 보고서 초고를 통해 알려졌고, 현대 컴퓨터 구조의 표준인 폰 노이만 구조로 불리게 되었다.[243] 그는 앨런 튜링, 클로드 섀넌 등과 함께 현대 컴퓨터의 이론적 기초를 다진 인물로 평가받는다.[249] 또한 IAS에서 IAS 머신 개발 프로젝트를 이끌었다.
컴퓨터의 강력한 계산 능력을 활용한 응용 연구에도 힘썼다. 몬테카를로 방법의 고안자 중 한 명이자 명명자로 알려져 있으며, 의사난수 생성기 개발에도 기여했다.[237] 특히 수치예보 분야의 발전에 결정적인 역할을 했다. 전자 컴퓨터를 이용해 프리미티브 방정식과 같은 비선형 편미분 방정식을 풀어 객관적인 기상 예보가 가능하다고 생각했고,[244] IAS 머신을 이용한 수치 예보 연구를 지원했다. 이는 이후 미국 국립환경예보센터([https://www.ncep.noaa.gov/ National Center for Environmental Prediction]: NCEP)의 설립으로 이어졌고, 현대의 일기 예보와 IPCC의 지구 온난화 예측 모델의 기초가 되었다.[248]
수치 유체 역학 분야에서는 충격파 계산을 위한 인공 점성(eng) 알고리즘을 개발하여 충격파 연구와 천체 물리학, 제트 엔진, 로켓 엔진 개발에 기여했다. 알고리즘 분야에서는 정렬 알고리즘 중 하나인 병합 정렬의 발명자로 알려져 있다.
스타니스와프 울람과 함께 셀 오토마타 분야를 개척하여, 컴퓨터 없이 종이와 펜만으로 자기 복제 개념을 증명했다. 이 연구는 DNA의 자기 복제 메커니즘 발견이나 컴퓨터 바이러스의 개념적 선구가 되었으며,[250][251] 폰 노이만을 인공 생명 분야의 아버지로 불리게 만들었다.[252] 그의 오토마타 연구는 존 매카시 등 후대 컴퓨터 과학자들에게 영향을 주었으며, 인간의 뇌와 컴퓨터를 비교 분석한 저서 ''컴퓨터와 뇌''(The Computer and the Braineng)를 남기기도 했다.
3. 1. 집합론
20세기 초, 수학을 순수 집합론에 기반하려는 시도는 러셀의 역설(자기 자신에 속하지 않는 모든 집합들의 집합이 갖는 역설)로 인해 어려움을 겪었다. 집합론을 적절하게 공리화하는 문제는 약 20년 뒤 에른스트 체르멜로와 아브라함 프랭켈에 의해 체르멜로-프랭켈 집합론으로 어느 정도 해결되었지만, 이 체계는 자기 자신에 속하는 집합의 존재 가능성을 명확히 배제하지는 못했다.
폰 노이만은 1920년대 괴팅겐 대학교에서 활발히 진행되던 집합론 공리화 프로그램을 접하고, 1925년 박사 논문에서 이러한 문제를 해결하기 위한 두 가지 핵심적인 방법, 즉 정칙성 공리(기초 공리)와 클래스 개념을 제시했다.[33] 이는 이후 폰 노이만-베르나이스-괴델 집합론(NBG 집합론)으로 발전하는 중요한 기반이 되었다.
첫째, 정칙성 공리는 모든 집합이 단계적으로 구성된다는 원칙을 세웠다. 만약 한 집합이 다른 집합에 속한다면, 첫 번째 집합은 구성 순서상 반드시 두 번째 집합보다 먼저 와야 한다는 것이다. 이를 통해 집합이 자기 자신에 속하는 역설적인 상황을 원천적으로 배제할 수 있었다. 폰 노이만은 이 새로운 공리를 추가해도 기존 체계와 모순이 생기지 않음을 증명하기 위해 내부 모델 방법이라는 기법을 도입했는데, 이는 이후 집합론에서 중요한 증명 도구로 자리 잡았다.
둘째, 클래스 개념은 집합과 구별되는 더 큰 모임으로, 집합은 다른 클래스에 속할 수 있는 클래스로 정의하고, 진정한 클래스는 어떤 클래스에도 속할 수 없는 클래스로 정의한다. 체르멜로-프랭켈 집합론에서는 러셀의 역설을 피하기 위해 '자기 자신에 속하지 않는 모든 집합의 집합' 자체를 구성할 수 없도록 했지만, 폰 노이만의 접근 방식에서는 '자기 자신에 속하지 않는 모든 집합의 클래스'를 구성할 수 있으며, 이는 집합이 아닌 '진정한 클래스'로 분류되어 역설을 해결했다.
폰 노이만의 집합론 연구는 "집합론의 공리화, 서수와 기수에 대한 정교한 이론 정립, 그리고 초한 귀납법에 의한 정의 원리를 최초로 엄격하게 공식화"한 점에서 큰 의미를 갖는다. 그러나 1930년 괴델의 괴델의 불완전성 정리 발표 이후, 폰 노이만은 수학 기초론에 대한 관점을 바꾸고 응용 수학 분야로 연구의 초점을 옮기기 시작했다.
3. 2. 함수해석학
펠릭스 하우스도르프가 하우스도르프 역설(1914)을 연구한 것을 바탕으로, 슈테판 바나흐와 알프레드 타르스키는 1924년 3차원 구를 유한 개의 분리 집합으로 나누고, 이를 평행이동 및 회전시켜 원래 구와 동일한 크기의 구 두 개를 만들 수 있음을 보였다. 이는 바나흐-타르스키 역설로 알려져 있다. 그들은 2차원 원반에서는 이러한 역설적인 분할이 불가능함을 증명했다.그러나 1929년, 폰 노이만은 평행이동과 회전 대신 면적을 보존하는 아핀 변환을 사용하여 2차원 원반을 유한 개의 조각으로 나누고 재배열하여 동일한 크기의 원반 두 개를 만드는 방법을 보였다.[34] 이 결과는 자유군 아핀 변환의 존재를 보이는 것에 기반했는데, 이는 폰 노이만이 이후 측도론 연구에서 발전시킨 중요한 기법 중 하나이다.
3. 3. 격자 이론
폰 노이만은 1935년부터 1937년까지 격자 이론을 집중적으로 연구했다. 격자 이론은 어떤 집합 안의 두 원소를 골랐을 때, 그 둘보다 작거나 같은 원소 중 가장 큰 것(최대 하한)과, 그 둘보다 크거나 같은 원소 중 가장 작은 것(최소 상한)이 항상 존재하는 부분 순서 집합을 다루는 이론이다. 수학자 개럿 버크호프는 "존 폰 노이만의 뛰어난 지성은 운석처럼 격자 이론을 밝혔다"고 평가했다.폰 노이만은 전통적인 사영 기하학을 선형 대수학, 환 이론, 격자 이론 같은 현대 대수학과 결합하는 방식으로 접근했다. 이를 통해 과거의 여러 기하학적 결과들을 환 위의 가군이라는 개념을 이용해 새롭게 해석할 수 있게 되었고, 그의 연구는 현대 사영 기하학 연구의 중요한 기초가 되었다.[65]
폰 노이만의 가장 큰 공헌 중 하나는 연속 기하학이라는 새로운 분야를 창시한 것이다.[66] 이는 그가 이전에 연구했던 연산자 환 이론의 연장선상에 있었다. 수학에서 연속 기하학은 복소 사영 기하학을 확장한 개념으로 볼 수 있는데, 기존 기하학에서 공간의 차원이 0, 1, 2 와 같은 자연수 값만 가질 수 있었던 것과 달리, 연속 기하학에서는 차원이 0과 1 사이의 모든 실수 값, 즉 단위 구간 의 값을 가질 수 있다. 이전에 멩거와 버크호프는 복소 사영 기하학을 그 공간 안의 선형 부분 공간 격자의 성질을 이용해 공리적으로 정의했다. 폰 노이만은 자신이 연구한 연산자 환 이론을 바탕으로, 이 공리들을 더 완화하여 더 넓은 범위의 격자, 즉 연속 기하학을 설명할 수 있도록 했다. 그는 연속적인 값을 가지는 차원 함수를 갖는 폰 노이만 대수를 발견하면서 연속 기하학의 아이디어를 얻었으며, 폰 노이만 대수의 한 종류인 초유한 II형 인자의 사영 격자가 연속 기하학의 첫 번째 구체적인 예시가 되었다.[67]
더 나아가 순수 격자 이론 연구에서는, 임의의 체 위에서의 연속 차원 사영 기하학()을 격자 이론의 추상적인 언어로 설명하는 어려운 문제를 해결했다. 그는 완비된 여결격자 모듈러 격자 위상 격자(내적 공간의 부분 공간 격자에서 발생하는 성질)에서 차원에 대한 추상적 탐구를 제공했다.
차원은 양의 선형 변환까지, 다음 두 가지 성질에 의해 결정됩니다. 원근 사상("원근 변환")에 의해 보존되고 포함에 의해 순서가 지정됩니다. 증명의 가장 심오한 부분은 원근성과 "분해에 의한 사영성"의 동등성에 관한 것으로, 그 결과 원근성의 추이성이 나옵니다.
임의의 정수 에 대해, 모든 -차원 추상적 사영 기하학은 대응하는 (유일한) 체 위의 -차원 벡터 공간 의 부분 공간-격자와 동형이다. 이는 베블런-영 정리로 알려져 있다. 폰 노이만은 사영 기하학의 이 기본적인 결과를 연속 차원의 경우로 확장했다. 이 좌표화 정리는 추상적 사영 기하학과 격자 이론에서 상당한 연구를 촉진했으며, 그 대부분은 폰 노이만의 기법을 계속 사용했다.[68] 버크호프는 이 정리를 다음과 같이 설명했다.
서로 원근적인 개의 원소의 "기저"를 갖는 여결 모듈러 격자 는 적절한 정칙환 의 모든 주 우이데알의 격자 와 동형입니다. 이 결론은 완전히 새로운 공리를 포함하는 140페이지에 걸친 훌륭하고 예리한 대수의 절정입니다. 폰 노이만의 마음의 날카로운 면을 잊을 수 없는 인상을 받고 싶은 사람은 스스로 이 정확한 추론의 연쇄를 추구해 보는 것만으로 충분합니다. 종종 그 중 5페이지가 아침 식사 전에 잠옷을 입고 거실 서재에 앉아 쓰여졌다는 것을 깨닫습니다.
이 연구는 정칙환의 생성을 필요로 했다.[69] 폰 노이만 정칙환은 모든 에 대해 인 원소 가 존재하는 환이다. 이러한 환은 폰 노이만 대수뿐만 아니라 AW*-대수 및 다양한 종류의 C*-대수에 대한 그의 연구에서 비롯되었으며, 이와 관련이 있다.[70]
위의 정리의 생성과 증명 중에 특히 분배 법칙(무한 분배 법칙과 같은)에 관하여 많은 작은 기술적 결과가 증명되었으며, 폰 노이만은 필요에 따라 이를 개발했다. 그는 또한 격자에서 평가 이론을 개발하고 메트릭 격자의 일반 이론을 개발하는 데 참여했다.
버크호프는 폰 노이만에 대한 사후 기사에서 이러한 결과 대부분이 집중적인 2년간의 연구 기간에 개발되었으며, 1937년 이후에도 그의 관심이 격자 이론에 계속되었지만, 주변적이 되었고 주로 다른 수학자들과의 서신에서 발생했다고 지적했다. 1940년의 마지막 기여는 고등 연구소에서 버크호프와 함께 진행한 세미나를 위한 것이었는데, 그는 그곳에서 σ-완비 격자 순서 환의 이론을 개발했다. 그는 이 연구를 출판을 위해 작성하지 않았다.
3. 4. 기타 수학 분야
폰 노이만은 다양한 수학 분야에서 중요한 업적을 남겼다.1932년에 발표한 여러 논문을 통해 에르고드 이론의 기초를 다지는 데 크게 기여했다. 에르고드 이론은 동역학계의 상태와 불변 측도를 연구하는 수학 분야이다.[40] 폴 할모스는 1932년 폰 노이만의 에르고드 이론 논문에 대해 "폰 노이만이 다른 어떤 업적을 남기지 않았더라도, 이 논문들만으로도 그는 수학계에서 영원히 기억될 자격이 충분하다"고 평가했다. 당시 폰 노이만은 이미 작용소 이론에 관한 연구를 진행하고 있었으며, 이는 그의 평균 에르고드 정리 연구에 중요한 기반이 되었다.
평균 에르고드 정리는 임의의 일변수 유니터리 군 에 관한 것으로, 힐베르트 공간의 모든 벡터 에 대해 가 힐베르트 놈으로 정의된 거리 개념 하에서 존재하며, 그 극한값은 모든 에 대해 를 만족하는 벡터 임을 보인다. 이는 첫 번째 논문에서 증명되었다. 두 번째 논문에서는 이 결과가 볼츠만의 에르고드 가설과 관련된 물리적 문제에 적용될 수 있다고 주장하며, 에르고드성 자체의 증명은 향후 과제로 남겨두었다.[41] 같은 해 발표된 또 다른 영향력 있는 논문에서는 에르고드성의 체계적인 연구를 시작하며, 에르고드 측도 보존 작용이 모든 측도 보존 작용을 구성하는 기본 요소임을 보이는 분해 정리를 제시하고 증명했다. 이 논문과 폴 할모스와 공동으로 작성한 다른 논문의 결과는 수학의 여러 분야에서 중요한 응용을 찾았다.[42]
수리 통계학 분야에서도 중요한 공헌을 했다. 1941년에는 독립적이고 동일하게 정규 분포된 변수들에 대해, 연속적인 차이의 평균 제곱과 표본 분산의 비율에 대한 정확한 분포를 유도했다.[71] 이 비율은 회귀 모델의 잔차 분석에 적용되어, 오차가 통계적으로 독립적이라는 귀무 가설을 검정하는 데 사용된다. 특히 오차가 정상적인 1차 자기 회귀를 따른다는 대립 가설을 검정할 때 이 비율은 흔히 더빈-왓슨 통계량으로 알려져 있다.[72] 이후 데니스 사간과 알록 바르가바는 이 결과를 확장하여 회귀 모델의 오차가 가우시안 랜덤 워크(즉, 단위근을 갖는 경우)를 따르는지 여부를 검정하는 방법을 개발했다.[73]
초기 경력에는 집합론적 실해석학 및 정수론과 관련된 여러 논문을 발표했다.[74] 1925년 논문에서는 [0,1] 구간 내의 임의의 조밀한 점들의 수열에 대해, 그 점들을 재배열하여 균등하게 분포된 수열을 만들 수 있음을 증명했다.[75][76][77] 1926년에는 프뤼퍼의 이상적인 대수적 수 이론에 관한 유일한 논문을 발표했는데, 새로운 구성 방법을 통해 프뤼퍼의 이론을 모든 대수적 수의 체로 확장하고 p-진수와의 관계를 명확히 했다.[78][79][80][81]
1928년에는 이 주제들을 다루는 두 편의 논문을 더 발표했다. 첫 번째 논문은 구간을 가산 개의 합동인 부분집합으로 분할하는 문제를 다루었다. 이는 스타인하우스가 제기한 구간이 -가분할 가능한지에 대한 질문을 해결한 것으로, 폰 노이만은 반열린 구간, 열린 구간, 닫힌 구간 모두 평행이동에 의해 -가분할 가능함(즉, 가산 무한개의 합동인 부분집합으로 분해 가능함)을 증명했다.[82][83] 다음 논문에서는 선택 공리를 사용하지 않고 개의 대수적으로 독립적인 실수가 존재함을 구성적 증명으로 보였다. 그는 형태의 수가 에 대해 대수적으로 독립적임을 증명하여, 연속체 크기를 갖는 완전한 대수적 독립 실수 집합의 존재를 확립했다.[84][85][86]
수리논리학 분야에서는 쿠르트 괴델과 독립적으로 제2 불완전성 정리를 발견했으며, 공리적 집합론에서는 정칙성 공리를 제안했다.
후기 경력에서는 파스쿠알 요르단(Pascual Jordan), 유진 위그너(Eugene Wigner)와 함께 양자 이론을 위한 더 나은 수학적 형식주의를 찾으려는 노력의 일환으로, 모든 유한 차원의 형식적으로 실수인 요르단 대수를 분류하고 알베르트 대수를 발견하는 기초적인 논문을 썼다.[93][94] 1936년에는 이전의 힐베르트 공간 공리를 요르단 대수의 공리로 대체하려는 시도로 무한 차원의 경우를 조사하는 논문을 발표했으나,[95] 후속 연구는 이루어지지 못했다.[96] 그럼에도 불구하고 이 연구는 어빙 세갈(Irving Segal) 등에 의해 시작된 대수적 양자역학 연구의 기초가 되었다.[97][98]
이 외에도 변분법 분야에서 최소화 함수의 기울기에 대한 최대 원리 증명[87][88][89][90], 수 기하학 분야에서 민코프스키의 선형 형태 정리 간소화[91][92] 등 사소하지만 의미 있는 결과들을 남겼다.
4. 물리학 분야 업적
폰 노이만은 물리학 분야, 특히 양자역학과 유체역학에서 중요한 업적을 남겼다. 그는 형식적으로 양자역학을 완성한 것으로 평가받는 저서 『양자역학의 수학적 기초』로 잘 알려져 있다. (자세한 내용은 아래 문단 참조)
또한 그는 제2차 세계 대전 중 원자폭탄 개발에 깊이 관여했다. 이 과정에서 다음과 같은 기여를 했다.
- 폭탄이 지상에 충돌하기 전 공중에서 폭발할 때 피해가 더 커진다는 이론을 제시했으며, 이 이론은 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄에 실제로 적용되었다.
- 나가사키에 투하된 플루토늄형 원자폭탄 팻 맨에 사용된 폭축렌즈 개발을 담당했다. 그는 1940년대에 폭굉파면의 구조에 관한 ZND 이론을 공동으로 확립했으며, 이 이론에 기반한 수치 해석을 통해 폭축렌즈 방식의 원자폭탄이 실현 가능함을 보였다. (자세한 내용은 아래 문단 참조)
- 소련의 스파이였던 클라우스 푸크스와 수소폭탄을 공동으로 개발하기도 했다.
- 일본에 대한 원폭 투하 목표 지점을 선정할 당시, 일본 국민에게 깊은 문화적 의미를 지닌 교토를 오히려 파괴해야 한다고 주장하며 투하 목표로 제안하기도 했다. 이러한 측면 때문에 폰 노이만은 스탠리 큐브릭 감독의 영화 『닥터 스트레인지러브』에 등장하는 스트레인지러브 박사의 모델 중 한 명으로 여겨진다.
4. 1. 양자역학
1900년 세계 수학자 대회에서 다비트 힐베르트가 제시한 23개의 문제들 중 6번째는 물리학의 공리화였다. 1930년대까지 새로운 물리 이론 중 양자역학만이 공리적 접근 방식을 따랐으나, 결정론과의 모순 등으로 철학적, 기술적 문제가 제기되었고, 베르너 하이젠베르크의 행렬역학과 에르빈 슈뢰딩거의 파동역학 간의 접점도 명확하지 않았다.집합론의 공리화를 마친 폰 노이만은 양자역학의 수학적 공리화에 착수했다. 1926년, 그는 N개 입자의 양자 상태가 무한차원 힐베르트 공간의 한 점으로 표현될 수 있으며, 이는 고전역학의 6N 차원 위상 공간에 해당함을 발견했다. 또한 위치, 운동량 등의 물리량은 이 점에 연산자를 작용시켜 얻을 수 있음을 알아냈다. 이를 통해 양자역학 문제는 힐베르트 공간 내 에르미트 연산자의 연산으로 치환 가능함을 보였다. 예를 들어, 하이젠베르크의 불확정성 원리는 위치 연산자와 운동량 연산자의 곱셈 순서에 따라 결과가 달라지는 비가환성()으로 설명될 수 있다.
폰 노이만은 1932년 출판된 그의 저서 ''양자역학의 수학적 기초''[99]에서 양자역학에 대한 엄밀한 수학적 틀인 디랙-폰 노이만 공리를 처음으로 확립했다. 이 연구는 하이젠베르크와 슈뢰딩거의 접근 방식을 통합하는 수학적 형식화를 제공했다. 물리학자들은 폴 디랙의 브라-켓 접근방식을 더 선호하는 경향이 있지만, 수학자들은 폰 노이만의 접근 방식이 더 엄밀하고 완전하다고 평가한다.
폰 노이만의 추상적인 접근은 결정론 대 비결정론이라는 근본적인 문제에 대한 논의로 이어졌다. 그는 저서에서 양자역학의 통계적 결과가 고전 통계 역학처럼 기저의 결정된 "숨겨진 변수" 집합의 평균일 수 없다는 증명을 제시했다. 이 증명은 1935년 그레테 헤르만에 의해 개념적 오류가 지적되었고,[100] 이후 존 스튜어트 벨도 1966년에 유사한 비판을 제기했다.[101] 2010년 제프리 버브는 벨이 폰 노이만의 증명을 오해했으며, 증명이 모든 숨겨진 변수 이론을 배제하는 것은 아니지만 중요한 일부를 배제한다고 주장했다. 버브는 폰 노이만도 이러한 한계를 인지하고 있었을 것이라고 제안했다.[102] 이 논쟁은 1957년 글리슨 정리[103][104]와 벨 정리, 그리고 1982년 알랭 아스페의 실험으로 이어지며, 양자 물리학이 고전 물리학과는 다른 실재 개념이나 비국소성을 필요로 함을 시사했다.[105]
''양자역학의 수학적 기초''의 한 장에서 폰 노이만은 소위 측정 문제를 심층적으로 분석했다. 그는 전체 물리적 우주가 보편적인 파동 함수의 영향을 받을 수 있다고 결론지었다. 파동 함수를 붕괴시키기 위해 "계산 외부"의 무언가가 필요했으므로, 폰 노이만은 붕괴가 실험자의 의식에 의해 발생한다고 결론지었다. 그는 양자역학의 수학은 측정 장치에서 인간 관찰자의 "주관적 의식"에 이르는 인과 사슬의 어느 위치에든 파동 함수의 붕괴를 배치할 수 있게 한다고 주장했다. 다시 말해, 관찰자와 관찰 대상 사이의 경계를 다른 위치에 그릴 수 있지만, 이론은 관찰자가 어딘가에 존재하는 경우에만 의미가 있다.[106] 유진 위그너가 의식에 의한 붕괴라는 아이디어를 받아들였으나,[107] 폰 노이만-위그너 해석은 대부분의 물리학자들 사이에서 결코 받아들여지지 않았다.[108]
양자역학 이론은 계속 발전하고 있지만, 대부분의 접근 방식의 기반이 되는 양자역학 문제의 수학적 형식에 대한 기본적인 틀은 폰 노이만이 처음 사용한 수학적 형식과 기법으로 거슬러 올라갈 수 있다. 이론의 해석 및 이에 대한 확장에 대한 논의는 이제 수학적 기초에 대한 공유된 가정을 기반으로 주로 수행된다.[99]
수학 물리학자 아서 와이트먼은 1974년 폰 노이만의 양자역학에 대한 연구를 힐베르트의 여섯 번째 문제를 완수한 것의 일부로 보고, 그의 양자 이론의 공리화가 그때까지 물리 이론의 가장 중요한 공리화일 것이라고 말했다. 그의 1932년 저서를 통해 양자역학은 명확한 수학적 형태를 갖게 되어 개념적 문제에 대한 명확한 답을 얻을 수 있게 되면서 성숙한 이론이 되었다.[109] 그럼에도 불구하고 폰 노이만은 후년에 자신이 개발한 모든 수학에도 불구하고 전체 양자 이론에 대한 만족스러운 수학적 틀을 찾지 못했기 때문에 과학적 연구의 이 측면에서 실패했다고 느꼈다.
=== 폰 노이만 엔트로피 ===
폰 노이만 엔트로피는 양자 정보 이론의 틀에서 다양한 형태(조건부 엔트로피(conditional entropy), 상대 엔트로피(relative entropy) 등)로 널리 사용된다.[110] 얽힘 측정은 폰 노이만 엔트로피와 직접적으로 관련된 어떤 양에 기초한다. 밀도 행렬 를 갖는 양자역학적 시스템의 통계적 앙상블이 주어질 때, 다음과 같이 정의된다: 고전 정보 이론의 많은 엔트로피 측정값들은 홀레보 엔트로피[111] 및 조건부 양자 엔트로피와 같이 양자 경우로 일반화될 수도 있다. 양자 정보 이론은 주로 폰 노이만 엔트로피의 해석과 활용에 관심을 두며, 이는 양자 정보 이론 발전의 초석이다. 섀넌 엔트로피는 고전 정보 이론에 적용된다.[112]
=== 밀도 행렬 ===
밀도 행렬(density matrix) 및 밀도 연산자(density operator)의 형식체계는 폰 노이만(von Neumann)[113]이 1927년에 도입했고, 란다우(Lev Landau)[114]와 블로흐(Felix Bloch)[115]도 각각 1927년과 1946년에 독립적으로, 다만 덜 체계적으로 도입했다. 밀도 행렬은 순수 상태(순수 상태)만을 나타낼 수 있는 파동 함수(파동 함수)와는 달리, 양자 상태의 확률적 혼합(혼합 상태)을 나타낼 수 있다.[116]
=== 폰 노이만 측정 방식 ===
폰 노이만 측정 방식은 양자 결어긋남 이론의 원형으로, 측정 장치 또한 양자 객체로 취급하여 투영 측정으로 측정을 나타낸다. 폰 노이만이 제시한 '투영 측정' 방식은 양자 결어긋남 이론의 발전으로 이어졌다.[117][118]
=== 양자 논리 ===
폰 노이만은 1932년 저서 ''양자역학의 수학적 기초''에서 처음으로 양자 논리를 제안했는데, 여기서 그는 힐베르트 공간의 사영을 물리적 관측량에 대한 명제로 볼 수 있다는 점을 지적했다. 양자 논리 분야는 이후 1936년 폰 노이만과 개럿 버크호프의 논문에서 개척되었는데,[119] 이들은 양자역학이 모든 고전 논리와 상당히 다른 명제 논리를 필요로 한다는 것을 처음으로 증명하고 양자 논리를 위한 새로운 대수적 구조를 엄밀하게 분리했다. 양자 논리를 위한 명제 논리를 만드는 개념은 폰 노이만의 1932년 저서의 짧은 부분에서 처음으로 개괄되었으나, 1936년에 여러 증명을 통해 새로운 명제 논리의 필요성이 입증되었다. 예를 들어, 광자는 수직으로 편광된 두 개의 연속 필터(예: 수평 및 수직)를 통과할 수 없으므로, ''결론적으로'', 세 번째 대각선 편광 필터를 다른 두 필터의 앞이나 뒤에 추가하더라도 통과할 수 없다. 하지만 세 번째 필터를 다른 두 필터 ''사이에'' 추가하면 광자는 실제로 통과한다. 이 실험적 사실은 논리적으로 결합의 ''비가환성'' 으로 번역될 수 있다. 또한 고전 논리의 분배 법칙 및 은 양자 이론에 유효하지 않다는 점도 입증되었다.[120]
그 이유는 고전적 논리합과 달리 양자 논리합은 두 개의 논항이 모두 거짓일 때도 참일 수 있으며, 이는 양자 역학에서 대안의 쌍이 의미론적으로 결정되는 반면, 각 구성원은 반드시 불확정적이라는 사실 때문이다. 따라서 고전 논리의 분배 법칙은 더 약한 조건으로 대체되어야 한다.[120] 분배 격자 대신 양자 시스템에 대한 명제는 해당 시스템과 관련된 힐베르트 공간의 부분 공간 격자와 동형인 직교 모듈러 격자를 형성한다.[121]
그럼에도 불구하고 그는 양자 논리에 대한 자신의 연구에 결코 만족하지 못했다. 그는 그것을 형식 논리와 확률 이론의 공동 종합으로 의도했으나, 1945년 워싱턴 철학회에서 행한 Henry Joseph 강연을 위한 논문을 쓰려고 시도했을 때, 특히 당시 전쟁 작업으로 바빴기 때문에 할 수 없다는 것을 알게 되었다. 그는 1954년 국제 수학자 회의에서의 연설에서 이 문제를 미래의 수학자들이 연구할 수 있는 미해결 문제 중 하나로 제시했다.
4. 2. 유체역학
폰 노이만은 유체 역학 분야에 기본적인 공헌을 남겼다. 1930년대에는 성형 작약의 수학적 이론 분야에서 권위자로 인정받았다.[124] 그는 고전적인 폭풍파 흐름 해법을 제시했으며,[122] 야코프 보리소비치 젤도비치와 베르너 되링과 독립적으로 폭발물의 ZND 폭굉 모델(ZND 이론)을 공동 발견했다.[123] 이 ZND 이론은 1940년대 폭굉 파면 구조를 설명하는 데 중요한 역할을 했으며, 폰 노이만은 이를 바탕으로 10개월간의 수치 해석을 통해 폭약을 32면체 형태로 배치하는 폭축렌즈 개발에 기여했다. 이는 나가사키시에 투하된 플루토늄형 원자폭탄인 팻 맨의 실현 가능성을 보이는 데 중요한 역할을 했다.또한 로버트 D. 릭터마이어와 함께 '인공 점성'이라는 개념을 도입하는 알고리즘을 개발하여 충격파 현상에 대한 이해를 높였다.[125] 당시 컴퓨터로 유체역학이나 공기역학 문제를 풀 때 충격파와 같은 급격한 불연속 지점에 계산 격자점이 과도하게 집중되는 문제가 있었는데, 인공 점성 기법은 물리적 본질을 크게 해치지 않으면서 이러한 충격 전이를 부드럽게 처리할 수 있게 해주었다.[125]
폰 노이만은 컴퓨터 모델링을 유체 역학 연구에 적극적으로 도입하여 자신의 탄도학 연구를 위한 소프트웨어를 개발하기도 했다. 제2차 세계 대전 중에는 미 육군 탄도 연구소의 R. H. 켄트 소장에게 충격파 시뮬레이션을 위한 1차원 모델 계산 프로그램을 제안했다. 이후 친구인 시어도어 폰 카르만 등이 참석한 세미나에서 이 프로그램에 대해 발표했는데, 발표가 끝나자 폰 카르만은 라그랑주 역시 연속체 역학 시뮬레이션에 디지털 모델을 사용했음을 지적했다. 당시 폰 노이만은 라그랑주의 저서 Mécanique analytique프랑스어에 대해 알지 못했다고 한다.[126]
그는 폭탄이 지상에 충돌하기 전 공중에서 폭발할 때 피해가 더 커진다는 이론을 제시했으며, 이 이론은 히로시마시와 나가사키시에 투하된 원자폭탄에 실제로 적용되었다.
5. 경제학 분야 업적
폰 노이만은 경제학 분야에서도 중요한 업적을 남겼으며, 특히 게임 이론과 수리 경제학의 발전에 기여했다.
주요 기여는 다음과 같다.
- 폰 노이만 다부문 성장 모형을 통해 경제성장이론에 기여했다.
- 생산집합 및 재생산의 생산 시스템 개념을 도입했다.
- 브라우어의 부동점 정리를 이용하여 경제 시스템 내 균형의 존재를 수학적으로 증명했다.
- 오스카 모르겐슈테른과 함께 경제학에 게임 이론을 도입했으며, 이는 게임 이론이 미시경제학 및 거시경제학과 함께 경제학의 중요한 분야로 자리 잡는 계기가 되었다.
이러한 연구들은 현대 경제학 이론의 중요한 토대를 마련하는 데 기여했다.
5. 1. 게임 이론
폰 노이만은 수학적 학문으로서 게임 이론 분야를 창시했다.[135] 그는 1928년 미니맥스 정리를 증명했는데,[136] 이는 제로섬 게임에서 완전 정보(각 시점에서 이전에 행해진 모든 수를 알고 있는 게임)가 주어졌을 때, 각 플레이어가 자신의 최대 손실을 최소화할 수 있는 최적의 전략 쌍이 존재함을 밝힌 정리이다.[136] 폰 노이만은 이 최적 전략들의 미니맥스 값이 절대값으로는 같고 부호로는 반대임을 보였다.1944년에는 오스카르 모르겐슈테른Oskar Morgensternde과 함께 《게임 이론과 경제적 행동》(Theory of Games and Economic Behavior)이라는 책을 출간했다.[137] 이 책은 불완전 정보를 포함하는 게임과 두 명 이상의 플레이어가 참여하는 경우까지 다루면서 기존의 미니맥스 이론을 더욱 발전시켰다. 이 책이 발간되었을 때 뉴욕 타임즈 1면에 소개될 정도로 대중의 관심이 매우 높았다.[137]
이 책에서 폰 노이만은 경제 이론이 전통적인 미분적분학이 아니라 함수해석학, 특히 볼록 집합과 위상적 부동점 정리를 사용해야 한다고 주장했다. 이는 최대화 연산이 미분 가능한 함수를 보존하지 않기 때문이었다.[135] 그의 함수 해석학적 접근 방식—실수 벡터 공간의 쌍대 짝을 이용한 가격과 수량 표현, 지지 초평면과 초평면 분리 정리, 볼록 집합, 고정점 이론의 활용—은 이후 수리경제학의 핵심 도구로 자리 잡았다.[138]
경제학 분야에서 폰 노이만의 가장 큰 공헌 중 하나는 오스카르 모르겐슈테른과 함께 게임 이론을 경제학에 도입한 것이다. 이는 게임 이론 연구의 본격적인 시작으로 평가받으며, 오늘날 게임 이론은 미시경제학, 거시경제학과 더불어 경제학의 중요한 한 축을 이루고 있다.
5. 2. 수리 경제학
폰 노이만은 여러 영향력 있는 논문을 통해 수리 경제학의 수준을 높였다. 그는 팽창하는 경제 모델에 대해 브로우어의 고정점 정리를 일반화하여 경제 시스템에서 균형의 존재와 유일성을 증명했다.[135]폰 노이만 성장 모형폰 노이만의 팽창 경제 모델은 비음수 행렬 '''A'''와 '''B'''를 이용하여 행렬 펜슬 '''A''' − λ'''B'''를 분석한다. 그는 경제적 효율성을 나타내는 두 부등식 체계와 보완성 방정식 을 만족시키는 확률 벡터 ''p''와 ''q'', 그리고 고유값 ''λ''를 찾고자 했다. 이 모델에서:
- 벡터 ''p''는 상품의 가격을 나타낸다 (전치된 형태).
- 벡터 ''q''는 각 생산 과정이 얼마나 활발하게 이루어지는지("강도")를 나타낸다.
- 고유값 ''λ''는 경제의 성장 계수를 의미하며, 이는 성장률에 1을 더한 값이다. 이 성장률은 이자율과 같다.[139][140]
폰 노이만의 이 결과는 비음수 행렬만을 사용하는 선형 계획법의 특수한 경우로 볼 수 있으며, 그의 팽창 경제 모델 연구는 오늘날까지도 수리 경제학자들에게 중요한 연구 주제로 남아있다.[141][142] 이 논문은 여러 학자들에 의해 수리 경제학 분야 최고의 논문 중 하나로 평가받으며, 고정점 정리, 선형 부등식, 보완적 이완성, 그리고 안장점 이중성과 같은 중요한 개념들을 경제학에 도입한 공로를 인정받는다. 폴 새뮤얼슨은 많은 수학자들이 경제학에 유용한 도구를 제공했지만, 폰 노이만은 경제 이론 자체에 직접적으로 중요한 기여를 한 독보적인 인물이라고 평가했다.[143]
일반균형이론과 선형 계획법폰 노이만은 1928년과 1929년 베를린에서 강의하던 중 수리 경제학에 관심을 갖게 되었다. 부다페스트에서 여름을 보내며 경제학자 니콜라스 칼도르의 추천으로 레옹 발라스의 저서를 접했다. 폰 노이만은 발라스의 일반균형이론과 발라스의 법칙이 음수량의 상품을 생산 및 판매하여 이익을 극대화하는 비현실적인 결과를 낳을 수 있음을 간파했다. 그는 방정식을 부등식으로 대체하고 동적 평형 개념을 도입하는 등 이론을 발전시켜 자신의 논문을 발표했다.
또한, 폰 노이만은 행렬 게임과 팽창 경제 모델 연구를 바탕으로 선형 계획법의 이중성 이론을 직관적으로 파악했다. 조지 댄치그가 자신의 연구를 설명하자, 폰 노이만은 즉시 핵심을 파악하고는 한 시간 동안 볼록 집합, 고정점 이론, 이중성에 대해 설명하며 행렬 게임과 선형 계획법의 동등성을 추론했다고 한다.[144]
나아가 폰 노이만은 파울 고르단이 1873년에 제시한 동차 선형 시스템을 활용한 새로운 선형 계획법 해법을 제안했다. 이는 나중에 카마르카 알고리즘으로 널리 알려진 내점법의 초기 형태였다. 폰 노이만의 알고리즘은 단체 사이를 이동하는 피벗 알고리즘을 사용했으며, 피벗 결정은 볼록 제약 조건 하의 비음수 최소 제곱법 하위 문제(활성 단체의 볼록 껍질에 영벡터를 투영하는 것)를 통해 이루어졌다.[145]
주요 기여 및 영향폰 노이만의 수리 경제학 분야 주요 기여와 그 영향은 다음과 같다.
기여 내용 | 설명 및 영향 |
---|---|
폰 노이만 다부문 성장 모형 | 경제성장이론 발전에 기여했다. |
생산집합·재생산 개념 도입 | 생산 시스템 분석의 기초를 마련했다. |
브로우어의 고정점 정리 활용 | 경제 시스템 내 균형의 존재를 수학적으로 증명했다. |
게임 이론 도입 (with 오스카 모르겐슈테른) | 경제학 분석에 새로운 도구를 제공했으며, 미시경제학·거시경제학과 함께 경제학의 주요 분야로 자리 잡았다. |
폰 노이만의 일반균형, 고정점 정리, 선형 계획법 연구는 후대 경제학자들에게 큰 영향을 미쳤다. 케네스 애로(1972년), 제라르 드브뢰(1983년), 그리고 존 내쉬(1994년) 등 노벨 경제학상 수상자들은 그의 연구 방법론을 활용하여 중요한 경제 이론들을 발전시켰다. 이들 외에도 팃징 쿡만스, 레오니드 칸토로비치, 바실리 레온티예프, 폴 새뮤얼슨, 로버트 도프먼, 로버트 솔로, 레오니트 후르비치 등 많은 노벨상 수상자들이 선형 계획법을 연구에 활용했다.
6. 컴퓨터 과학 분야 업적
폰 노이만은 컴퓨터 과학 분야의 선구적인 인물로, 컴퓨터 하드웨어 설계, 이론 컴퓨터 과학, 과학 컴퓨팅, 그리고 컴퓨터 과학 철학 등 다방면에 걸쳐 중요한 공헌을 남겼다.
그는 EDVAC 개발에 참여하며 작성한 보고서 초안을 통해 프로그램 내장 방식 개념을 널리 알렸다. 이 방식은 오늘날 대부분의 컴퓨터 작동 원리인 '폰 노이만 구조'의 기반이 되었으며, 이로 인해 폰 노이만은 앨런 튜링, 클로드 섀넌 등과 함께 현대 컴퓨터의 기초를 다진 핵심 인물로 평가받는다.[249]
또한 스타니스와프 울람과 함께 셀 오토마타 분야를 개척하여, 컴퓨터가 보편화되기 이전임에도 불구하고 자기 복제 개념을 이론적으로 증명하고 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor) 개념을 고안했다. 이러한 연구는 이후 DNA의 자기 복제 메커니즘 발견이나 컴퓨터 바이러스 출현의 이론적 기반을 제공한 것으로 평가받으며,[250][251] 폰 노이만을 인공 생명 분야의 아버지로 여기는 시각도 있다.[252][253]
알고리즘 연구에도 기여하여 병합 정렬을 고안했으며, 수치 유체 역학 분야에서는 충격파 계산을 위한 '인공 점성'(artificial viscosity영어) 알고리즘을 개발하여 관련 분야 발전에 영향을 미쳤다.
6. 1. 폰 노이만 구조
미군 탄도연구소(Ballistic Research Laboratory)의 EDVAC 개발 프로젝트에 자문으로 참여하면서 폰 노이만은 컴퓨터 구조에 대한 중요한 아이디어를 제시했다. 그는 First Draft of a Report on the EDVAC|EDVAC에 관한 보고서 초고영어라는 미완성 문서를 작성했는데, 이 문서에는 데이터와 프로그램을 종이테이프나 플러그보드에 별도로 저장하는 초기 컴퓨터 방식과 달리, 동일한 메모리 공간에 저장하는 혁신적인 구조가 담겨 있었다.[147] 이 구조는 오늘날 '''폰 노이만 구조''' 또는 '''프로그램 내장 방식'''으로 불리며, 대부분의 현대 컴퓨터 설계의 기초가 되었다.[147]
폰 노이만은 펜실베이니아 대학교에서 진행된 EDVAC 프로젝트의 자문 역할을 맡았으며, 이 과정에서 에니악(ENIAC) 프로젝트에도 과학자문위원으로 참여했다.[146] EDVAC 보고서 초고가 폰 노이만의 이름으로 먼저 배포되면서, 프로그램 내장 방식의 고안자로 널리 알려지게 되었다.[249] 그러나 이 구조의 기반 기술은 EDVAC의 주요 개발자인 J. 프레스퍼 에커트와 존 모클리의 연구에 상당 부분 의존하고 있으며, 보고서의 조기 배포는 에커트와 모클리의 특허권을 인정받지 못하게 하는 결과를 낳기도 했다.[147][249] 일반적으로 에커트와 모클리가 기술적 측면을, 폰 노이만이 이론적 측면을 담당한 것으로 알려져 있다.[249] 일부에서는 프로그램 내장 방식 아이디어가 쿠르트 괴델이 불완전성 정리 증명에 사용한 괴델 수화 개념을 응용한 것이라는 분석도 있다.[249]
이후 폰 노이만은 프린스턴 고등연구소(Institute for Advanced Study)에서 IAS 기계 설계를 주도했다. 그는 직접 자금을 조달하고, 부품 설계 및 제작은 인근의 RCA 연구소에서 이루어졌다. 이 IAS 기계는 이후 개발된 상업용 컴퓨터에도 영향을 미쳤다. 폰 노이만은 IBM이 개발한 IBM 701("방위 컴퓨터"라는 별칭)에 자기 드럼 메모리를 포함할 것을 권장했으며, 이는 IAS 기계의 설계를 기반으로 더 빠르게 개선된 버전이었다. IBM 701은 상업적으로 성공한 IBM 704의 기반이 되었다.
폰 노이만은 앨런 튜링, 클로드 섀넌 등과 함께 현대 컴퓨터 과학의 기초를 다진 핵심 인물로 평가받는다.[249]
6. 2. 알고리즘

폰 노이만은 알고리즘 연구에도 기여했다. 도널드 크누스는 폰 노이만이 1945년에 배열의 전반부와 후반부를 각각 재귀적으로 정렬한 다음 병합하는 병합 정렬 알고리즘을 발명했다고 지적했다.[148][149]
또한 수소폭탄 연구의 일환으로 스타니스와프 울람과 함께 유체 역학 계산을 위한 시뮬레이션을 개발했으며, 복잡한 문제의 해결책을 근사하는 데 난수를 사용하는 몬테카를로 방법의 개발에도 기여했다.
"진정한" 난수를 얻기 어려웠기 때문에, 폰 노이만은 중간 제곱 방법을 사용하여 유사난수를 생성하는 방법을 개발했다. 그는 이 방법이 다른 어떤 방법보다 빠르다고 정당화하며 "난수를 생성하는 산술적 방법을 고려하는 사람은 물론 죄를 짓고 있는 상태"라고 언급하기도 했다.[150] 그는 이 방법이 잘못될 경우 다른 방법들처럼 미묘하게 잘못되는 것이 아니라 명백하게 잘못된다는 점도 지적했다.[150] 편향된 동전으로 공정한 동전을 시뮬레이션하기 위한 그의 알고리즘은 일부 하드웨어 난수 생성기의 "소프트웨어 화이트닝" 단계에 사용된다.[150]
확률적 계산은 폰 노이만에 의해 1953년에 소개되었지만,[151] 1960년대의 컴퓨팅 발전 이후에야 구현될 수 있었다.[152][153] 그는 1950년경 계산의 시간 복잡도에 대해 언급한 최초의 인물 중 한 명이었으며, 이는 훗날 계산 복잡도 이론 분야로 발전했다.[154]
도널드 크누스는 폰 노이만이 수치 유체 역학 분야에도 도전했다고 지적했다. 그는 R. D. Richtmyer와 함께 "인공 점성"(artificial viscosity영어)을 결정하는 알고리즘을 개발했고, 이 성과는 인류의 충격파에 대한 이해를 발전시키는 데 기여했다. 이 연구는 이후 천체 물리학 분야의 발전과 고도의 제트 엔진 및 로켓 엔진 개발에 크게 기여했다. 유체 역학 및 공기 역학 문제를 컴퓨터로 계산할 때 발생하는 격자점 과다 문제를 "인공 점성"이라는 수학적 도구를 통해 해결하여, 기본적인 물리적 특성을 유지하면서 충격 전파를 컴퓨터로 계산하기 쉽게 표현할 수 있게 되었다.
6. 3. 세포 자동자


폰 노이만은 스타니스와프 울람과 함께 1940년대부터 생물학적 시스템의 단순화된 수학적 모델로서 세포 자동자 분야를 개척한 인물로 평가받는다.[157] 그는 DNA 구조가 발견되기 전에 이미 자기 복제 구조에 대한 수학적 분석을 수행했다.[156]
1948년과 1949년의 강의를 통해 운동학적 자기 복제 오토마타 개념을 제안했으며,[158][159] 1952년에는 이를 더욱 추상화하여, 초기 셀 구성을 자동으로 복제할 수 있는 정교한 2차원 세포 자동자를 설계했다.[160] 당시 컴퓨터가 없었음에도 불구하고, 폰 노이만은 방안지와 펜만으로 자기 복제 개념을 증명하고 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor) 개념을 고안했다. 이러한 폰 노이만 세포 자동자에 기반한 폰 노이만 범용 생성기에 대한 자세한 내용은 그의 사후 출간된 저서 『자기 복제 오토마타의 이론』(Theory of Self Reproducing Automataeng)에 설명되어 있다.[161]
그가 고안한 자기 복제 기계 개념은 이후 DNA의 자기 복제 메커니즘 발견이나 컴퓨터 바이러스 출현의 이론적 선구로 여겨진다.[250][251] 이러한 공헌으로 폰 노이만은 그의 사후 약 30년 뒤에 정립된 인공 생명 분야의 아버지로 불리기도 한다.[252]
또한, 2차원 격자에서 각 셀이 상하좌우로 인접한 셀을 이웃으로 정의하는 폰 노이만 근방 개념은 오늘날에도 다양한 세포 자동자 연구에 활용되고 있다.[162]
6. 4. 기타 컴퓨터 과학 분야
존 폰 노이만은 역사상 가장 영향력 있는 계산 과학(Computational science) 연구자 중 한 명으로 평가받으며, 기술적 및 행정적으로 이 분야에 많은 공헌을 남겼다. 그는 선형 편미분 방정식의 수치적 방법에서 오류 축적을 방지하는 데 중요한 폰 노이만 안정성 해석(Von Neumann stability analysis) 절차를 개발했다.[163] 1947년 허먼 골드스타인(Herman Goldstine)과 함께 발표한 논문은 역오차 해석(Backward error analysis)을 최초로 기술한 것으로 여겨진다.[166] 또한 야코비 방법(Jacobi method)에 대해 최초로 저술하기도 했다.[166] 로스앨러모스에서는 압축성 유동(Compressible flow) 문제를 수치적으로 해결하는 연구를 수행했으나, 비선형 문제(Nonlinear problems)에 대한 해석적 방법의 한계에 부딪히면서 계산 방법을 적극적으로 활용하게 되었다.[163] 그의 영향 아래 로스앨러모스는 1950년대와 1960년대 초 계산 과학 분야를 선도하게 되었다.[163]폰 노이만은 계산이 단순히 문제의 해를 수치적으로 구하는 도구를 넘어, 문제를 해석적으로 푸는 데 통찰력을 제공할 수 있음을 깨달았다. 특히 비선형 문제를 포함한 다양한 과학 및 공학 문제 해결에 컴퓨터가 유용할 것이라고 보았다.[164] [165] 1945년 캐나다 수학 회의에서는 유체 역학 문제를 수치적으로 푸는 방법에 대한 강연을 통해, 풍동(Wind tunnel)이 사실상 아날로그 컴퓨터이며 디지털 컴퓨터가 이를 대체하여 유체 역학의 새로운 시대를 열 것이라고 예측했다. 가렛 버크호프(Garrett Birkhoff)는 이를 "`잊을 수 없는 판촉 행위`"라고 묘사했다. 이 강연 내용을 바탕으로 골드스타인과 함께 작성한 "대규모 컴퓨팅 기계의 원리에 관하여"라는 원고는 과학 컴퓨팅 연구 지원을 촉진하는 데 활용되었다. 이 논문은 역행렬, 랜덤 행렬, 타원형 경계값 문제를 푸는 자동 이완법(Relaxation methods)의 개념도 발전시켰다.[166]
EDVAC 개발에 참여하며 작성한 보고서 초안에 그의 이름만 명시되어 있었기 때문에, 프로그램 내장 방식(Stored-program concept)의 고안자로 널리 알려지게 되었다. 이 방식은 오늘날 대부분의 컴퓨터 작동 원리인 "폰 노이만 구조"의 기반이 되었다. 그는 앨런 튜링, 클로드 섀넌 등과 함께 현대 컴퓨터의 기초를 다진 인물로 평가받는다. EDVAC 개발팀 내에서는 존 프레스퍼 에커트와 존 모클리가 기술적 측면을, 폰 노이만이 이론적 측면을 담당한 것으로 알려져 있다. 노먼 맥레이는 프로그램 내장 방식이 쿠르트 괴델이 불완전성 정리 증명에 사용한 괴델 수화 아이디어를 응용한 것이라고 설명하기도 했다.[249]
폰 노이만은 스타니스와프 울람과 함께 셀 오토마타 분야를 개척했다. 당시 제대로 된 컴퓨터가 없었음에도 불구하고, 종이와 펜만으로 자기 복제 개념을 증명하고 유니버설 컨스트럭터(Universal Constructor) 개념을 고안했다. 그의 사후에 출판된 『Theory of Self Reproducing Automata|자기 복제 오토마타의 이론eng』은 이 분야의 중요한 저작으로 남았다. 그의 자기 복제 기계 연구는 DNA의 자기 복제 발견이나 컴퓨터 바이러스의 출현을 예견한 선구적인 업적으로 평가받으며,[250][251] 이로 인해 폰 노이만은 사후 30년 뒤에 등장한 인공 생명 분야의 아버지로 불리기도 한다.[252] 캘리포니아 공과대학교에서 행한 오토마타 강연은 존 매카시에게 영향을 주었으며, 매카시는 폰 노이만에게 연구 자문을 받기도 했다.[253] 1956년 다트머스 회의에서 인공 지능 분야를 확립한 매카시는 폰 노이만을 초대하려 했으나, 그는 이미 세상을 떠난 후였다. 폰 노이만은 『The Computer and the Brain|컴퓨터와 뇌eng』이라는 저서를 통해 인간의 두뇌와 컴퓨터를 비교하는 시도를 하기도 했다.
알고리즘 연구에도 기여하여, 도널드 크누스는 폰 노이만을 병합 정렬의 발명자로 지목했다. 또한 수치 유체 역학 분야에서는 R. D. Richtmyer와 함께 충격파 계산을 위한 "artificial viscosity|인공 점성eng" 알고리즘을 개발했다. 이 연구는 충격파에 대한 인류의 이해를 증진시켰으며, 이후 천체 물리학, 고성능 제트 엔진 및 로켓 엔진 개발에 크게 기여했다. 인공 점성이라는 수학적 도구는 유체 역학 문제에서 방대한 격자점 계산의 어려움을 완화하고, 기본적인 물리적 특성을 유지하면서 충격 전파를 컴퓨터로 쉽게 계산할 수 있도록 만들었다.
7. 기타 업적
폰 노이만은 다양한 분야에 걸쳐 중요한 업적을 남겼다. 그의 학문적 여정은 수학에서 시작되었다. 18세 때 미하엘 페케테와 공동으로 첫 논문 "특정 최소 다항식의 영점 위치에 관하여"를 발표했고, 19세에는 단독으로 "초한 수의 도입에 관하여"라는 논문을 발표했다. 이후 집합론의 공리화에 대한 연구로 박사 학위 논문을 작성했으며, 1932년에는 양자역학의 수학적 기초를 다룬 중요한 저서 양자역학의 수학적 기초를 출판했다.
이후 그의 연구는 순수 수학을 넘어 응용 분야로 확장되었다. 독일어 대신 영어로 저술하기 시작하면서 그의 출판물은 더욱 선별적이 되었고, 순수 수학의 범위를 넘어섰다. 1942년 발표한 "폭발파 이론"은 군사 연구에 기여했으며, 컴퓨팅 분야 연구는 1946년 미발표 논문 "대규모 컴퓨팅 기계의 원리에 관하여"에서 시작되었다. 또한, 1950년에는 "정압성 와동 방정식의 수치적 적분" 논문을 통해 기상 예측 연구의 문을 열었다. 이는 이후 기상학 분야에서 컴퓨터를 활용한 수치 예보 발전의 중요한 계기가 되었다.
말년에는 기술 발전이 인류 사회에 미칠 영향에 대해서도 깊이 고찰했다. 1947년 발표한 에세이 "수학자"는 순수 수학에서 벗어나 현실 문제에 대한 그의 관심을 보여주는 글로 평가받으며,[212] 1955년 "우리는 기술을 극복할 수 있을까?"에서는 핵전쟁과 인공적인 기후 변화 가능성 등 기술 발전의 잠재적 위험성을 경고했다. 이러한 고찰은 훗날 기술적 특이점 가설 논의의 기초가 되기도 했다. 그의 연구 결과와 저술들은 총 6권의 전집으로 편찬되었다.
7. 1. 기상학
컴퓨터의 응용 분야를 연구하던 폰 노이만은 기상 예측에 관심을 갖게 되었는데, 이는 그가 맨해튼 프로젝트에서 다루었던 문제와 유사성을 발견했기 때문이다. 1946년, 그는 고등연구소에 '기상 프로젝트'를 설립하고 기상국, 미 공군, 미국 해군 기상 서비스로부터 자금을 확보했다.[167] 당시 최고의 이론 기상학자로 평가받던 칼-구스타프 로스비와 함께 20명의 기상학자 그룹을 모아 이 분야의 문제 해결을 시도했으나, 다른 연구 활동으로 인해 프로젝트에 충분한 시간을 할애하지 못해 초기에는 큰 성과를 거두지 못했다.상황은 젊은 줄 그레고리 차니가 로스비의 뒤를 이어 프로젝트 공동 책임자가 되면서 바뀌었다. 1950년, 폰 노이만과 차니는 세계 최초의 기후 모델링 소프트웨어를 개발했고, 폰 노이만이 사용할 수 있도록 준비한 ENIAC 컴퓨터를 이용해 세계 최초의 수치 일기 예보를 성공적으로 수행했다.[167] 폰 노이만과 그의 팀은 이 연구 결과를 ''Numerical Integration of the Barotropic Vorticity Equation''이라는 제목으로 발표했으며,[168] 기후 연구에서 해양과 대기 간의 에너지 및 수분 교환을 통합하는 데 주도적인 역할을 했다.[169] ENIAC을 이용한 예보는 초기 단계였지만, 그 소식은 빠르게 전 세계로 퍼져나가 여러 유사한 연구 프로젝트를 촉발시켰다.
1955년, 폰 노이만, 차니, 그리고 동료 연구자들은 자금 지원자들을 설득하여 메릴랜드주 수잇랜드에 합동 수치 일기 예보 부대(Joint Numerical Weather Prediction Unit, JNWPU)를 설립했고, 이 기관은 정기적으로 실시간 일기 예보를 시작했다. 이후 폰 노이만은 기후 모델링을 위한 연구 프로그램을 제안했다. 그는 단기 예보에서 시작하여 장기적인 순환 특성 예측, 그리고 최종적으로는 중장기 예보로 나아가는 단계적 접근 방식을 구상했다.[170] 1955년 노먼 A. 필립스가 이룬 긍정적인 연구 결과에 힘입어, 폰 노이만은 프린스턴에서 "일반 순환 문제에 대한 수치 적분 기법의 응용"에 관한 회의를 조직했다. 그는 기상국과 군의 지속적인 지원을 확보하며 JNWPU 옆에 일반 순환 연구 부서(현재의 GFDL)를 설립했다. 그는 이후에도 모델링의 기술적 문제 해결과 프로젝트의 지속적인 자금 확보를 위해 노력했다.
폰 노이만은 지구 온난화 문제에도 관심을 보였다. 19세기 후반 스반테 아레니우스는 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출 증가가 지구 온난화를 유발할 수 있다고 제안한 바 있다.[171] 1955년 폰 노이만은 이러한 현상이 이미 시작되었을 수 있다고 지적하며, "산업 활동으로 인한 석탄과 석유 연소로 대기 중에 방출된 이산화탄소...가 대기 구성을 변화시켜 전 세계적으로 화씨 약 1도의 일반적인 온난화를 설명할 수 있을 것"이라고 언급했다.[172] 그는 기상 시스템 연구를 바탕으로 극지방 빙하에 색소를 뿌려 태양 복사 흡수율을 높이는(알베도 감소) 방식의 인공적인 기후 조절 가능성을 제안하기도 했다.[172] 하지만 그는 이러한 대규모 대기 변형 프로그램의 실행에 대해서는 신중한 입장을 보였다. 그는 "무엇을 ''할 수 있는가''는 무엇을 ''해야 하는가''의 지표는 아니"라며, 기후 변화가 해수면, 강수량, 빙하 등에 미칠 복잡한 결과를 예측하고 평가하는 것이 중요하다고 강조했다.[172] 더 나아가 폰 노이만은 기상 및 기후 통제 기술이 군사적으로 악용될 수 있는 위험성을 경고했다. 1956년 미국 의회 증언에서는 이러한 기술이 ICBM보다 더 큰 위협이 될 수 있다고 주장했다.
7. 2. 기술적 특이점 가설
기술적 맥락에서의 특이점 개념을 처음 사용한 사람은 폰 노이만[173]으로 여겨진다. 울람에 따르면 그는 "기술의 끊임없이 가속화되는 진보와 인간 삶의 방식의 변화는 인류 역사에서 필연적인 특이점에 접근하는 것처럼 보이며, 그 너머에서는 우리가 아는 인간사가 계속될 수 없다"[174]고 논의했다. 폰 노이만은 1955년 기술 발전이 가져올 변화에 대해 다음과 같이 언급하기도 했다: "현재 개발되고 있으며 향후 수십 년 동안 지배적인 기술은 전통적이며, 주로 현재까지 유효한 지리적 및 정치적 단위와 개념과 상충합니다. 이것은 기술의 성숙한 위기입니다... 가장 희망적인 해답은 인류가 이전에도 이와 유사한 시험을 받았고, 다양한 어려움을 겪은 후에도 살아남는 선천적인 능력을 가지고 있는 것으로 보인다는 것입니다."[172] 이 개념은 나중에 앨빈 토플러의 책 ''미래의 충격''에서 더 자세히 설명되었다.8. 평가와 유산
허먼 골드스타인은 폰 노이만이 숨겨진 오류를 직감하는 능력과 오래된 자료를 완벽하게 기억하는 능력을 높이 평가했다.[181] 그는 어려움에 직면했을 때 문제에 끈질기게 매달리기보다는 잠시 쉬면서 해결책을 찾는 방식을 선호했으며, 때로는 이러한 '최소 저항의 경로'를 택하는 방식 때문에 문제에서 벗어나기도 했다고 평가했다. 스타니스와프 울람 역시 문제가 처음부터 매우 어려워 보이면 폰 노이만이 다른 문제로 관심을 돌리는 경향이 있었다고 언급했다. 또한, 폴 할모스에 따르면 폰 노이만은 때때로 표준 수학 문헌을 찾아보기보다 필요한 정보를 직접 다시 유도하는 것을 더 쉽게 여겼다.
제2차 세계 대전 발발 후 학문 및 군사 활동으로 매우 바빠지면서, 강연 내용을 정리하거나 연구 결과를 체계적으로 발표하지 않는 습관은 더욱 심해졌다.[181] 그는 자신의 생각이 충분히 무르익지 않은 주제에 대해 공식적으로 글을 쓰는 것을 어려워했으며, 그렇지 않으면 "가장 나쁜 형식주의와 비효율성의 특징을 보일 것"이라고 생각했다.
수학자 장 디외도네는 폰 노이만을 "순수 수학과 응용 수학 모두에 정통했고, 평생 두 분야 모두에서 꾸준한 성과를 낸 위대한 수학자들의 마지막 대표자일지도 모른다"고 평가했다. 디외도네는 그의 독특한 천재성이 해석학과 "조합론"에 있다고 보았는데, 여기서 조합론은 복잡한 작업을 체계화하고 공리화하는 그의 능력을 설명하는 넓은 의미로 사용되었다. 그의 해석학 스타일은 선형대수학과 일반위상수학에 기반한 독일 학파를 따랐다. 그러나 디외도네는 폰 노이만의 순수 수학 범위가 앙리 푸앵카레, 다비트 힐베르트, 헤르만 바일만큼 넓지는 않았으며, 정수론, 대수적 위상수학, 대수기하학, 미분기하학 분야에서는 중요한 연구를 남기지 않았다고 지적했다. 반면 응용 수학에서의 업적은 칼 프리드리히 가우스, 오귀스탱 루이 코시, 앙리 푸앵카레와 견줄 만하다고 평가했다.
유진 위그너는 "아무도 모든 과학을 알지 못하며, 폰 노이만조차 그러지 못했다. 그러나 수학에 관해서는 정수론과 위상수학을 제외한 모든 부분에 기여했다. 이것은 독특한 일이다"라고 말했다. 폴 할모스 역시 폰 노이만이 토러스의 위상학적 정의를 알지 못했던 일화를 언급하며 그의 지식 범위에 한계가 있었음을 지적했다. 폰 노이만 자신도 허먼 골드스타인에게 위상수학에 능숙하지 않으며 불편함을 느낀다고 인정했다. 골드스타인은 이를 언급하며 폰 노이만을 헤르만 바일과 비교했을 때 바일이 더 깊고 넓다고 생각했다.
살로몬 보크너는 폰 노이만의 순수 수학 연구가 주로 유한 및 무한 차원 벡터 공간에 집중되었지만, 위상수학, 미분기하학, 조화 적분, 대수기하학과 같은 "전역적 의미"의 기하학 분야는 거의 다루지 않았다고 지적했다.
폰 노이만 자신도 말년에 순수 수학자들이 더 이상 해당 분야의 일부조차 깊이 알기 어렵게 되었다고 한탄했다. 1940년대 초, 울람은 폰 노이만의 지식의 약점을 찾기 위해 미분기하학, 정수론, 대수학 질문을 던졌으나 만족스러운 답을 얻지 못했다고 회상했다. 울람은 대부분의 수학자들이 하나의 기법을 숙달하여 반복 사용하는 반면, 폰 노이만은 세 가지 기법, 즉 선형 연산자의 기호 조작 능력, 새로운 수학 이론의 논리 구조에 대한 직관, 새로운 이론의 조합적 상부 구조에 대한 직관을 모두 숙달했다고 평가했다.
일반적으로 해석학자로 분류되지만, 폰 노이만은 스스로를 대수학자로 여겼으며[182], 그의 스타일은 대수적 기법과 집합론적 직관의 혼합을 보여주었다. 그는 세부 사항에 집착하고 반복이나 명시적인 표기법을 꺼리지 않았다. 예를 들어, 연산자의 환에 관한 논문에서 정규 함수 표기법 'φ(x)'를 'φ((x))'로 확장하고 이를 반복하여 '(ψ((((a)))))² = φ((((a))))'와 같은 복잡한 방정식을 사용하기도 했다. 이 때문에 1936년 논문은 학생들 사이에서 "폰 노이만의 양파"로 불렸는데,[183] 방정식을 이해하기 위해 "껍질을 벗겨내야" 했기 때문이다. 전반적으로 그의 글은 명료하고 강력했지만, 깔끔하거나 우아하지는 않다는 평가를 받았다. 기술적으로 뛰어났지만, 그의 주된 관심사는 수학 퍼즐 해결보다는 과학의 근본적인 문제와 질문을 명확하고 실행 가능하게 형식화하는 데 있었다.
울람에 따르면, 폰 노이만은 물리학자들을 놀라게 할 정도로 차원 추정과 대수적 계산을 머릿속에서 유창하게 수행했는데, 이는 마치 눈 가리고 체스를 두는 것과 같았다. 그는 구체적인 시각화보다는 추상적인 논리적 연역을 통해 물리적 상황을 분석하는 경향이 있었다.
골드스타인은 폰 노이만의 강의를 "매끄럽고 명쾌한 유리 위에 있는 것"에 비유했지만, 그의 과학 논문은 상대적으로 거칠고 통찰력이 덜한 방식으로 쓰였다고 생각했다. 폴 할모스는 그의 강의를 "눈부시다"고 묘사하며, 그의 말이 명료하고 빠르며 정확하고 포괄적이라고 평가했다. 그러나 강의 중에는 모든 것이 너무 쉬워 보이지만 나중에 되돌아보면 이해하기 어려웠다고 덧붙였다. 그는 말이 매우 빨라서, 배니쉬 호프만은 속기로도 필기하기 어려웠다고 했고, 앨버트 튜커는 사람들이 종종 질문을 던져 그의 설명 속도를 늦춰야 했다고 말했다. 폰 노이만 자신도 이 점을 인지하고 있었으며, 청중이 너무 빠르다고 지적해주면 고마워했다. 그는 강의 준비에 시간을 할애했지만, 메모는 거의 사용하지 않고 간략한 개요만 적어두었다.
폰 노이만은 특히 기호적인 종류의 사진기억력으로 유명했다. 허먼 골드스타인은 그가 책이나 기사를 한 번 읽으면 수년 후에도 그대로 암송할 수 있었고, 원래 언어에서 영어로 즉시 번역하며 암송할 수도 있었다고 회상했다. 골드스타인이 시험 삼아 "두 도시 이야기"의 시작 부분을 요청하자, 폰 노이만은 즉시 첫 장을 암송하기 시작했고 10~15분 후에 멈추라고 할 때까지 계속했다고 한다. 그는 전화번호부 한 페이지를 통째로 외울 수 있었으며, 친구들이 임의로 페이지 번호를 부르면 그 안의 이름, 주소, 번호를 암송하며 즐거움을 주었다고 전해진다.[185] 스타니스와프 울람은 그의 기억이 시각적이기보다는 청각적인 것 같다고 추측했다.
그의 수학적 능숙함, 계산 속도, 문제 해결 능력은 동료들 사이에서 전설적이었다. 폴 할모스는 그의 속도를 "경외감을 불러일으킨다"고 표현했고, 로타르 볼프강 노르트하임은 그를 "내가 만나본 사람 중 가장 빠른 두뇌"라고 묘사했다. 엔리코 페르미는 허버트 앤더슨에게 "조니는 내가 할 수 있는 것보다 열 배나 빠르게 머릿속으로 계산할 수 있어! 그리고 나는 네가 할 수 있는 것보다 열 배나 빠르게 계산할 수 있지. 그러니까 조니가 얼마나 대단한지 알 수 있겠지!"라고 말했다고 한다.[186] 에드워드 텔러는 "그를 따라갈 수 없었다"고 인정했고,[187] 이스라엘 할페린은 그를 따라가려는 노력을 "경주용 자동차를 쫓는 세발자전거"에 비유했다.[188]
새로운 문제를 빠르게 해결하는 능력 또한 뛰어났다. 조지 폴리아는 취리히 연방 공과대학교 시절 폰 노이만에 대해 "나는 조니가 유일하게 두려웠던 학생이었다. 강의 중에 풀리지 않은 문제를 제시하면, 그는 강의가 끝날 무렵 완벽한 해결책을 종이 조각에 적어서 내게 가져왔다"고 회상했다.[189] 조지 댄치히가 선형 계획법의 미해결 문제를 가져갔을 때, 폰 노이만은 즉석에서 한 시간 이상 강의하며 당시에는 생각지도 못했던 이중성 이론을 이용한 해결책을 제시하여 댄치히를 놀라게 했다.[190]
유명한 "파리 퍼즐" 일화[191]는 수학적 전승의 일부가 되었다. 약 32.19km 떨어진 두 자전거가 각각 시속 10마일로 서로를 향해 달려 충돌할 때까지, 파리가 시속 15마일로 두 자전거 사이를 계속 왕복하는 문제이다. 파리가 총 이동한 거리를 묻는 질문인데, 간단한 해법은 자전거가 1시간 후에 충돌하므로 파리도 1시간 동안 시속 15마일로 날았다는 것을 깨닫는 것이다. 유진 위그너에 따르면,[192] 막스 보른이 폰 노이만에게 이 문제를 냈을 때, 그는 즉시 정답인 약 24.14km를 말했다. 보른은 그가 간단한 해법을 알아차렸을 것이라고 생각했지만, 폰 노이만은 "무슨 요령이죠? 제가 한 것은 기하급수를 더한 것뿐입니다"라고 답했다고 한다.
그러나 이러한 천재성에도 불구하고, 로타(Gian-Carlo Rota)는 폰 노이만이 "깊이 박힌, 되풀이되는 자기 의심"을 가지고 있었다고 적었다. 존 L. 켈리(John L. Kelley)는 "조니 폰 노이만은 자신이 잊혀질 것이지만 쿠르트 괴델은 피타고라스와 함께 기억될 것이라고 말했지만, 우리 나머지는 조니를 경외심으로 바라보았다"고 회고했다.[193] 울람은 폰 노이만이 괴델의 불완전성 정리나 버크호프의 점별 에르고딕 정리와 같은 중요한 발견을 자신이 하지 못했다는 사실에서 자기 의심이 비롯되었을 수 있다고 추측했다. 폰 노이만은 복잡한 추론을 따라가는 데는 탁월했지만, 비이성적인 증명이나 직관적인 통찰력에는 스스로 부족함을 느꼈을 수 있다는 것이다. 울람은 폰 노이만이 자신의 연구 중요성에 대해 확신하지 못하고, 독창적인 기술적 기교나 새로운 접근법을 발견했을 때만 만족감을 얻었다고 술회했다.
동료들의 평가는 경외심에 가까웠다. 한스 베테는 "폰 노이만과 같은 두뇌는 인간보다 우월한 종을 나타내는 것은 아닌지 가끔 의문을 품곤 했습니다"라고 말했고, 에드워드 텔러는 "폰 노이만은 제 3살짜리 아들과 동등한 수준으로 대화했는데, 그가 우리 다른 사람들과 이야기할 때도 같은 원리를 사용하는지 가끔 의문을 품었습니다"라고 말했다.[194] 피터 랙스는 "폰 노이만은 사고에 중독되었고, 특히 수학에 대해 생각하는 것을 좋아했습니다"라고 썼다. 유진 위그너는 "그는 수학적 문제를 초기 측면뿐만 아니라 그 복잡성 전체를 이해했습니다"라고 평가했다. 클로드 섀넌은 그를 "제가 만난 사람 중 가장 똑똑한 사람"이라고 불렀으며, 야코프 브론스키는 "그는 제가 알았던 사람 중 가장 영리한 사람이었습니다. 예외 없이 천재였습니다"라고 썼다. 이러한 광범위한 영향력과 여러 분야에 대한 기여로 폰 노이만은 널리 폴리매스로 여겨진다.[197][198][199]
위그너는 폰 노이만의 정신 속도에 대해 다음과 같이 말하며 그를 자신이 아는 가장 뛰어난 정신의 소유자로 꼽았다. "저는 제 삶에서 많은 똑똑한 사람들을 알았습니다... 그러나 그들 중 아무도 얀치 폰 노이만만큼 빠르고 예리한 정신을 가진 사람은 없었습니다. 저는 종종 그 사람들 앞에서 이 점을 언급했고, 아무도 저에게 이의를 제기한 적이 없습니다."
미클로시 레데이는 "과학자의 영향력이 과학 자체를 넘어서는 분야에 대한 영향까지 포함하도록 충분히 넓게 해석된다면, 존 폰 노이만은 아마도 역사상 가장 영향력 있는 수학자였을 것입니다"라고 썼다. 피터 랙스는 폰 노이만이 더 오래 살았다면 노벨 경제학상을 수상했을 것이며, 컴퓨터 과학과 수학 분야의 노벨상이 있었다면 그 상들도 받았을 것이라고 말했다. 로타는 폰 노이만이 "컴퓨팅의 무한한 가능성을 처음으로 예견한 사람이며, 최초의 대형 컴퓨터 건설로 이어진 상당한 지적 및 기술 자원을 모을 결단력을 가졌다"고 평가하며, 결과적으로 "이 세기의 다른 어떤 수학자도 문명의 진로에 그처럼 깊고 지속적인 영향을 미치지 못했다"고 결론지었다. 그는 20세기 가장 위대하고 영향력 있는 수학자이자 과학자 중 한 명으로 널리 인정받는다.[200]
신경생리학자 레온 하먼은 그를 자신이 만난 유일한 "진정한 천재"라고 칭하며 "폰 노이만의 정신은 모든 것을 포괄했습니다. 그는 어떤 영역의 문제라도 해결할 수 있었습니다. ... 그리고 그의 정신은 항상 작동하고, 항상 불안정했습니다"라고 묘사했다.[201] 비학문적 프로젝트 자문을 통해 보여준 뛰어난 과학적 능력과 실용성의 조합은 그에게 군 장교, 엔지니어, 산업가들 사이에서 다른 과학자들이 따라올 수 없는 높은 신뢰를 안겨주었다. 특히 핵무기 개발 분야에서 그는 허버트 요크에 따르면 "분명히 지배적인 자문 인물"로 여겨졌다. 경제학자 니콜라스 칼도르는 그가 "의심할 여지 없이 제가 만난 사람 중 가장 천재에 가까운 사람"이라고 말했으며, 폴 새뮤얼슨은 "우리 경제학자들은 폰 노이만의 천재성에 감사하고 있습니다. ... 그는 비교할 수 없는 조니 폰 노이만이었습니다. 그는 우리 영역에 잠깐 출현했고, 그 이후로는 결코 같지 않았습니다"라고 그의 영향력을 강조했다.
8. 1. 수상 경력
폰 노이만은 1947년 공훈 훈장, 1956년 자유훈장,[208] 그리고 1956년 엔리코 페르미 상을 포함한 여러 상을 수상했다. 그는 미국 예술 과학 아카데미와 미국 국립 과학 아카데미를 포함한 여러 명예 학회의 회원으로 선출되었으며, 8개의 명예 박사 학위를 받았다.[209]참조
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