Stanislaw Ulam - Stanislaw Ulam

Stanisław Ulam
Ein lächelnder Mann mit Hut und schwerem Wintermantel und Schal, der eine Mappe unter dem Arm trägt
Stanisław Ulam
Geboren
Stanisław Marcin Ulam

( 1909-04-13 )13. April 1909
Ist gestorben 13. Mai 1984 (1984-05-13)(im Alter von 75)
Staatsangehörigkeit Polieren
Staatsbürgerschaft Polen, USA (eingebürgert 1941)
Ausbildung Polytechnisches Institut Lwów , Zweite Polnische Republik
Bekannt für Mathematische Formulierungen in den Bereichen Physik , Informatik und Biologie
Teller-Ulam-Design
Monte-Carlo-Methode
Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Problem
Kernimpulsantrieb
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Mathematik
Institutionen Institute for Advanced Study
Harvard University
University of Wisconsin
Los Alamos National Laboratory
University of Colorado
University of Florida
Doktoratsberater Kazimierz Kuratowski
Doktoranden Paul Kelly

Stanisław Marcin Ulam ( [sta'ɲiswaf 'mart͡ɕin'ulam] ; 13. April 1909 – 13. Mai 1984) war ein polnischer Wissenschaftler auf den Gebieten der Mathematik und Kernphysik. Er nahm an dem Manhattan - Projekt , entstand das Teller-Ulam Design von thermonuklearen Waffen , entdeckte das Konzept des zellulären Automaten , erfand die Monte - Carlo - Methode der Berechnung , und schlug vor , Kernpulsantrieb . In der reinen und angewandten Mathematik bewies er einige Theoreme und schlug mehrere Vermutungen vor.

Geboren in eine reiche polnisch - jüdischen Familie, studierte Ulam Mathematik an der Lwów Polytechnic Institute , wo er seine verdiente Promotion unter der Aufsicht von 1933 Kazimierz Kuratowski . 1935 lud ihn John von Neumann , den Ulam in Warschau kennengelernt hatte , für einige Monate an das Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey , ein. Von 1936 bis 1939 verbrachte er Sommer in Polen und Studienjahre an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts , wo er an wichtigen Ergebnissen der Ergodentheorie arbeitete . Am 20. August 1939 segelte er mit seinem 17-jährigen Bruder Adam Ulam zum letzten Mal in die USA . 1940 wurde er Assistant Professor an der University of Wisconsin-Madison und 1941 US-Bürger .

Im Oktober 1943 erhielt er von Hans Bethe eine Einladung zum Manhattan-Projekt im geheimen Los Alamos Laboratory in New Mexico. Dort arbeitete er an den hydrodynamischen Berechnungen das Verhalten der vorherzusagen explosiven Linsen , die durch eine benötigt wurden Implosion-Typ Waffe . Er wurde der Gruppe von Edward Teller zugeteilt , wo er für Teller und Enrico Fermi an Tellers "Super"-Bombe arbeitete . Nach dem Krieg ging er als außerordentlicher Professor an die University of Southern California , kehrte aber 1946 nach Los Alamos zurück, um an thermonuklearen Waffen zu arbeiten . Mit Hilfe eines Kaders weiblicher " Computer ", darunter seiner Frau Françoise Aron Ulam , stellte er fest, dass Tellers "Super"-Design nicht praktikabel war. Im Januar 1951 entwickelten Ulam und Teller das Teller-Ulam-Design , das die Grundlage für alle thermonuklearen Waffen darstellt.

Ulam betrachtete das Problem des nuklearen Antriebs von Raketen, das von Project Rover verfolgt wurde , und schlug vor, als Alternative zu Rovers nuklearer thermischer Rakete kleine nukleare Explosionen für den Antrieb zu nutzen, die zu Project Orion wurden . Mit Fermi, John Pasta und Mary Tsingou untersuchte Ulam das Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Problem , das zur Inspiration für das Gebiet der nichtlinearen Wissenschaft wurde. Er ist wahrscheinlich am besten dafür bekannt, dass er erkannt hat, dass elektronische Computer es praktisch machten, statistische Methoden auf Funktionen ohne bekannte Lösungen anzuwenden, und mit der Entwicklung von Computern wurde die Monte-Carlo-Methode zu einem gebräuchlichen und Standardansatz für viele Probleme.

Polen

Ulam wurde am 13. April 1909 in Lemberg , Galizien , geboren. Zu dieser Zeit gehörte Galizien zum Königreich Galizien und Lodomerien der Österreichisch-Ungarischen Monarchie , den Polen als österreichische Teilung bekannt . Im Jahr 1918 wurde es Teil des neu restaurierten Polen, der Zweiten Polnischen Republik , und die Stadt nahm wieder ihren polnischen Namen Lwów an .

Die Ulams waren eine wohlhabende polnisch-jüdische Familie von Bankiers, Industriellen und anderen Fachleuten. Ulams engste Familie sei "wohlhabend, aber kaum reich". Sein Vater Józef Ulam wurde in Lemberg geboren und war Rechtsanwalt, seine Mutter Anna (geb. Auerbach) wurde in Stryj geboren . Sein Onkel Michał Ulam war Architekt, Bauunternehmer und Holzindustrieller. Von 1916 bis 1918 lebte die Familie von Józef vorübergehend in Wien . Nach ihrer Rückkehr wurde Lwów zum Epizentrum des polnisch-ukrainischen Krieges , in dem die Stadt eine ukrainische Belagerung erlebte .

Bild des Gebäudes, in dem früher das Scottish Café untergebracht war
Das Gebäude des Scottish Café beherbergt heute die Universalbank in Lemberg , Ukraine.

1919 trat Ulam in das Lemberger Gymnasium Nr. VII, die er 1927 abschloss. Anschließend studierte er Mathematik am Polytechnischen Institut in Lwów. Unter der Leitung von Kazimierz Kuratowski erhielt er 1932 seinen Master of Arts und wurde 1933 zum Doktor der Wissenschaften ernannt. Im Alter von 20 Jahren veröffentlichte er 1929 seine erste Arbeit über die Funktion von Mengen in der Zeitschrift Fundamenta Mathematicae . Von 1931 bis 1935 reiste er nach Wilno (Vilnius), Wien , Zürich , Paris und Cambridge, England , wo er GH Hardy und Subrahmanyan Chandrasekhar traf .

Zusammen mit Stanisław Mazur , Mark Kac , Włodzimierz Stożek , Kuratowski und anderen war Ulam Mitglied der Lwów School of Mathematics . Ihre Gründer waren Hugo Steinhaus und Stefan Banach , Professoren an der Jan-Kazimierz-Universität . Die Mathematiker dieser "Schule" trafen sich stundenlang im Scottish Café , wo die besprochenen Probleme im Scottish Book , einem dicken Notizbuch von Banachs Frau, gesammelt wurden . Ulam hat maßgeblich zu dem Buch beigetragen. Von den 193 zwischen 1935 und 1941 aufgenommenen Problemen steuerte er 40 Probleme als Einzelautor bei, weitere 11 mit Banach und Mazur und weitere 15 mit anderen. 1957 erhielt er von Steinhaus ein Exemplar des Buches, das den Krieg überstanden hatte, und übersetzte es ins Englische. 1981 veröffentlichte Ulams Freund R. Daniel Maudlin eine erweiterte und kommentierte Version.

Umzug in die USA

1935 lud ihn John von Neumann , den Ulam in Warschau kennengelernt hatte , für einige Monate an das Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey , ein. Im Dezember desselben Jahres segelte Ulam in die USA. In Princeton besuchte er Vorlesungen und Seminare, wo er Oswald Veblen , James Alexander und Albert Einstein hörte . Während einer Teeparty in von Neumanns Haus begegnete er GD Birkhoff , der ihm vorschlug, sich um eine Stelle bei der Harvard Society of Fellows zu bewerben . Dem Vorschlag von Birkhoff folgend verbrachte Ulam von 1936 bis 1939 Sommer in Polen und akademische Jahre an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts , wo er mit John C. Oxtoby zusammenarbeitete , um Ergebnisse zur ergodischen Theorie zu etablieren . Diese erschienen 1941 in Annals of Mathematics . 1938 starb Stanislaws Mutter Anna Hanna Ulam (geb. Auerbach) an Krebs.

Am 20. August 1939 brachte Józef Ulam zusammen mit seinem Bruder Szymon in Gdynia seine beiden Söhne Stanislaw und den 17-jährigen Adam auf ein Schiff in Richtung USA. Elf Tage später marschierten die Deutschen in Polen ein . Innerhalb von zwei Monaten beendeten die Deutschen ihre Besetzung Westpolens, und die Sowjets drangen in Ostpolen ein und besetzten es. Innerhalb von zwei Jahren wurden Józef Ulam und der Rest seiner Familie, darunter auch Stanislaws Schwester Stefania Ulam, Opfer des Holocaust , Hugo Steinhaus versteckte sich, Kazimierz Kuratowski lehrte an der unterirdischen Universität in Warschau, Włodzimierz Stożek und seine beiden Söhne waren bei dem Massaker an Lwów-Professoren ums Leben gekommen , und das letzte Problem war im Schottischen Buch verzeichnet . Stefan Banach überlebte die Nazi-Besatzung, indem er in der Flecktyphus-Forschungsanstalt von Rudolf Weigl Läuse fütterte . 1963 erhielt Adam Ulam , der in Harvard ein bedeutender Kremlinologe geworden war , einen Brief von George Volsky, der sich nach seiner Desertion aus der polnischen Armee im Haus von Józef Ulam versteckte. Diese Erinnerung lieferte einen erschreckenden Bericht über die chaotischen Szenen in Lwów Ende 1939. In seinem späteren Leben beschrieb sich Ulam als „Agnostiker. Manchmal grübele ich tief über die Kräfte nach, die für mich unsichtbar sind fühlen sich sofort entfremdet von den Schrecken dieser Welt, die er zu tolerieren scheint".

1940 wurde Ulam auf Empfehlung von Birkhoff Assistenzprofessor an der University of Wisconsin-Madison . Hier wurde er 1941 US-Staatsbürger. In diesem Jahr heiratete er Françoise Aron . Sie war eine französische Austauschstudentin am Mount Holyoke College gewesen , die er in Cambridge kennengelernt hatte. Sie hatten eine Tochter, Claire. In Madison traf Ulam seinen Freund und Kollegen CJ Everett, mit dem er an einer Reihe von Papieren zusammenarbeiten würde.

Manhattan-Projekt

Ein Ausweisfoto im Fahndungsfoto-Stil mit der Seriennummer H 0
Ulams Ausweisfoto aus Los Alamos

Anfang 1943 bat Ulam von Neumann, ihm eine Kriegsanstellung zu verschaffen. Im Oktober erhielt er eine Einladung, sich einem unbekannten Projekt in der Nähe von Santa Fe, New Mexico , anzuschließen . Der Brief wurde von Hans Bethe unterzeichnet , der von Robert Oppenheimer , seinem wissenschaftlichen Direktor, zum Leiter der theoretischen Abteilung des Los Alamos National Laboratory ernannt worden war . Da er nichts von der Gegend wusste, lieh er sich einen Reiseführer für New Mexico. Auf der Kasse fand er die Namen seiner Kollegen aus Wisconsin, Joan Hinton , David Frisch und Joseph McKibben, die alle auf mysteriöse Weise verschwunden waren. Dies war Ulams Einführung in das Manhattan-Projekt , die Kriegsbemühungen der USA, die Atombombe zu bauen.

Hydrodynamische Implosionsrechnungen

Wenige Wochen nachdem Ulam im Februar 1944 Los Alamos erreicht hatte , geriet das Projekt in eine Krise. Im April Emilio Segrè entdeckt , dass Plutonium in gemacht Reaktoren nicht in einer funktionieren würde pistolenartigen Plutonium Waffe wie das „ Thin Man “, die parallel zu einer Uran Waffe entwickelt wurden, das „ Little Boy “ , die auf abgeworfen wurde Hiroshima . Dieses Problem drohte, enorme Investitionen in neue Reaktoren am Standort Hanford zu verschwenden und die langsame Trennung von Uranisotopen zur einzigen Möglichkeit zu machen, spaltbares Material für den Einsatz in Bomben vorzubereiten . Um darauf zu reagieren, führte Oppenheimer im August eine umfassende Reorganisation des Labors durch, um sich auf die Entwicklung einer Implosionswaffe zu konzentrieren, und ernannte George Kistiakowsky zum Leiter der Implosionsabteilung. Er war Professor in Harvard und Experte für den präzisen Einsatz von Sprengstoffen.

Das Grundkonzept der Implosion besteht darin, mit chemischen Sprengstoffen einen Brocken spaltbaren Materials in eine kritische Masse zu zerkleinern , wobei die Neutronenvermehrung zu einer nuklearen Kettenreaktion führt , die eine große Energiemenge freisetzt. Zylindrische implosive Konfigurationen wurden von Seth Neddermeyer untersucht , aber von Neumann, der Erfahrung mit Hohlladungen hatte, die in panzerbrechender Munition verwendet wurden , war ein lautstarker Verfechter der sphärischen Implosion, die von explosiven Linsen angetrieben wurde . Er erkannte, dass die Symmetrie und Geschwindigkeit, mit der die Implosion das Plutonium komprimierte, kritische Punkte waren, und beauftragte Ulam, Linsenkonfigurationen zu entwickeln, die eine nahezu sphärische Implosion ermöglichten. Innerhalb einer Implosion verhalten sich feste Stoffe aufgrund enormer Drücke und hoher Temperaturen ähnlich wie Flüssigkeiten. Dies bedeutete, dass hydrodynamische Berechnungen erforderlich waren, um Asymmetrien vorherzusagen und zu minimieren, die eine nukleare Detonation beeinträchtigen würden. Von diesen Berechnungen sagte Ulam:

Das hydrodynamische Problem war einfach formuliert, aber sehr schwer zu berechnen – nicht nur im Detail, sondern sogar in der Größenordnung. In dieser Diskussion betonte ich reinen Pragmatismus und die Notwendigkeit, einen heuristischen Überblick über das Problem durch einfältige rohe Gewalt zu erhalten, anstatt durch massive numerische Arbeit.

Trotzdem führten Ulam und von Neumann mit den damals verfügbaren primitiven Möglichkeiten numerische Berechnungen durch, die zu einem zufriedenstellenden Design führten. Dies motivierte ihre Befürwortung einer leistungsstarken Rechenkapazität in Los Alamos, die während der Kriegsjahre begann, sich während des Kalten Krieges fortsetzte und immer noch existiert. Otto Frisch erinnerte sich an Ulam als "einen brillanten polnischen Topologen mit einer charmanten Französin. Er sagte mir sofort, er sei ein reiner Mathematiker, der so tief gesunken sei, dass seine neueste Arbeit tatsächlich Zahlen mit Komma enthält!"

Statistik von Verzweigungs- und Multiplikativprozessen

Auch die inhärenten statistischen Fluktuationen der Neutronenmultiplikation innerhalb einer Kettenreaktion haben Auswirkungen auf Implosionsgeschwindigkeit und Symmetrie. Im November 1944 befassten sich David Hawkins und Ulam in einem Bericht mit dem Titel "Theory of Multiplicative Processes" mit diesem Problem. Dieser Bericht, der wahrscheinlichkeitserzeugende Funktionen aufruft , ist auch ein früher Eintrag in der umfangreichen Literatur zur Statistik von Verzweigungs- und multiplikativen Prozessen. 1948 wurde sein Geltungsbereich von Ulam und Everett erweitert.

Zu Beginn des Manhattan-Projekts konzentrierte sich Enrico Fermi auf den Einsatz von Reaktoren zur Herstellung von Plutonium. Im September 1944 kam er in Los Alamos an, kurz nachdem er dem ersten Hanford-Reaktor Leben eingehaucht hatte , der durch ein Xenon-Isotop vergiftet worden war . Bald nach Fermis Ankunft wurde Tellers "Super"-Bombengruppe , zu der Ulam gehörte, in eine neue Abteilung unter der Leitung von Fermi verlegt. Fermi und Ulam bildeten eine Beziehung, die nach dem Krieg sehr fruchtbar wurde.

Nachkriegs-Los Alamos

Im September 1945 verließ Ulam Los Alamos, um außerordentlicher Professor an der University of Southern California in Los Angeles zu werden . Im Januar 1946 erlitt er eine akute Enzephalitis , die sein Leben in Gefahr brachte, die aber durch eine Notoperation am Gehirn gelindert wurde. Während seiner Erholung besuchten viele Freunde, darunter Nicholas Metropolis aus Los Alamos und der berühmte Mathematiker Paul Erdős , der bemerkte: "Stan, du bist wie zuvor." Das war ermutigend, denn Ulam machte sich Sorgen um den Zustand seiner geistigen Fähigkeiten, denn er hatte während der Krise die Fähigkeit zum Sprechen verloren. Ein anderer Freund, Gian-Carlo Rota , behauptete in einem Artikel von 1987, dass der Angriff Ulams Persönlichkeit veränderte: Danach wandte er sich von der strengen reinen Mathematik zu eher spekulativen Vermutungen über die Anwendung der Mathematik auf Physik und Biologie ; Rota zitiert auch Ulams ehemaligen Mitarbeiter Paul Stein, der feststellte, dass Ulam danach in seiner Kleidung nachlässiger war, und John Oxtoby, der bemerkte, dass Ulam vor der Enzephalitis stundenlang mit Berechnungen arbeiten konnte, während Rota, als Rota mit ihm arbeitete, zögerte, selbst zu lösen eine quadratische Gleichung. Diese Behauptung wurde von Françoise Aron Ulam nicht akzeptiert .

Bis Ende April 1946 hatte sich Ulam genug erholt, um an einer geheimen Konferenz in Los Alamos teilzunehmen, um über thermonukleare Waffen zu diskutieren . Zu den Anwesenden gehörten Ulam, von Neumann, Metropolis, Teller, Stan Frankel und andere. Während seiner Teilnahme am Manhattan-Projekt waren Tellers Bemühungen eher auf die Entwicklung einer "Super"-Waffe auf der Grundlage der Kernfusion als auf die Entwicklung einer praktischen Spaltbombe gerichtet. Nach ausführlicher Diskussion waren sich die Teilnehmer einig, dass seine Ideen es wert sind, weiter untersucht zu werden. Einige Wochen später erhielt Ulam von Metropolis und Robert D. Richtmyer , dem neuen Leiter der theoretischen Abteilung, ein Angebot für eine Stelle in Los Alamos zu einem höheren Gehalt, und die Ulams kehrten nach Los Alamos zurück.

Monte-Carlo-Methode

Ein lächelnder Mann mit Glatze in Anzug und Krawatte hält ein seltsames Gerät, das wie ein Rahmen aussieht
Stan Ulam hält die FERMIAC

Gegen Ende des Krieges begannen Frankel und Metropolis unter der Schirmherrschaft von Neumann, Berechnungen auf dem ersten universellen elektronischen Computer, dem ENIAC, auf dem Aberdeen Proving Ground in Maryland durchzuführen . Kurz nach seiner Rückkehr nach Los Alamos nahm Ulam an einer Überprüfung der Ergebnisse dieser Berechnungen teil. Zuvor hatte Ulam während seiner Genesung von der Operation Solitaire gespielt und daran gedacht, Hunderte von Spielen zu spielen, um die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Ergebnisses statistisch abzuschätzen. Mit Blick auf ENIAC erkannte er, dass die Verfügbarkeit von Computern solche statistischen Methoden sehr praktisch machte. John von Neumann erkannte sofort die Bedeutung dieser Erkenntnis. Im März 1947 schlug er einen statistischen Ansatz zum Problem der Neutronendiffusion in spaltbarem Material vor. Weil Ulam seinen Onkel Michał Ulam oft erwähnt hatte, „der zum Glücksspiel einfach nach Monte Carlo musste“, nannte Metropolis den statistischen Ansatz „Die Monte-Carlo-Methode “. Metropolis und Ulam veröffentlichten 1949 die erste nicht klassifizierte Arbeit zur Monte-Carlo-Methode.

Fermi erfuhr von Ulams Durchbruch und entwickelte einen analogen Computer, der als Monte Carlo Trolley bekannt ist und später FERMIAC genannt wurde . Das Gerät führte eine mechanische Simulation der zufälligen Diffusion von Neutronen durch. Mit der Verbesserung der Geschwindigkeit und Programmierbarkeit von Computern wurden diese Methoden nützlicher. Insbesondere viele Monte-Carlo-Berechnungen, die auf modernen massiv parallelen Supercomputern durchgeführt werden, sind peinlich parallele Anwendungen, deren Ergebnisse sehr genau sein können.

Teller–Ulam-Design

Am 29. August 1949 testete die Sowjetunion ihre erste Spaltbombe, die RDS-1 . Diese Waffe wurde unter der Aufsicht von Lavrentiy Beria erstellt , der versuchte, die Bemühungen der USA zu duplizieren, und war fast identisch mit Fat Man , denn ihr Design basierte auf Informationen der Spione Klaus Fuchs , Theodore Hall und David Greenglass . Als Reaktion darauf kündigte Präsident Harry S. Truman am 31. Januar 1950 ein Absturzprogramm zur Entwicklung einer Fusionsbombe an.

Um ein aggressives Entwicklungsprogramm zu befürworten, kamen Ernest Lawrence und Luis Alvarez nach Los Alamos, wo sie sich mit Norris Bradbury , dem Labordirektor, und mit George Gamow , Edward Teller und Ulam besprachen. Bald wurden diese drei Mitglieder eines kurzlebigen Komitees, das von Bradbury ernannt wurde, um das Problem zu untersuchen, mit Teller als Vorsitzender. Zu dieser Zeit wurde seit 1942 an der Verwendung einer Spaltwaffe geforscht, um eine Fusionsreaktion zu erzeugen , aber das Design war im Wesentlichen immer noch das ursprünglich von Teller vorgeschlagene. Sein Konzept bestand darin, Tritium und/oder Deuterium in unmittelbarer Nähe einer Spaltbombe zu platzieren, in der Hoffnung, dass die Hitze und der intensive Neutronenfluss, die bei der Explosion der Bombe freigesetzt werden, eine sich selbst erhaltende Fusionsreaktion entzünden würden . Reaktionen dieser Wasserstoffisotope sind von Interesse, weil die Energie pro Masseneinheit Brennstoff, die bei ihrer Fusion freigesetzt wird, viel größer ist als die bei der Spaltung schwerer Kerne.

Eine Pilzwolke erhellt den Morgenhimmel
Ivy Mike , der erste vollständige Test des Teller-Ulam-Designs (eine inszenierte Fusionsbombe) mit einer Ausbeute von 10,4 Megatonnen am 1. November 1952

Da die Ergebnisse der Berechnungen, die auf Tellers Konzept basierten, entmutigend waren, glaubten viele Wissenschaftler, dass dies nicht zu einer erfolgreichen Waffe führen könne , während andere moralische und wirtschaftliche Gründe hatten, nicht fortzufahren. Folglich lehnten mehrere hochrangige Mitarbeiter des Manhattan-Projekts die Entwicklung ab, darunter Bethe und Oppenheimer. Um die Situation zu klären, beschlossen Ulam und von Neumann, neue Berechnungen anzustellen, um festzustellen, ob Tellers Ansatz machbar war. Um diese Studien durchzuführen, entschied sich von Neumann, elektronische Computer zu verwenden: ENIAC in Aberdeen, einen neuen Computer, MANIAC in Princeton, und seinen Zwilling, der in Los Alamos gebaut wurde. Ulam verpflichtete Everett, einen völlig anderen Ansatz zu verfolgen, der von körperlicher Intuition geleitet wird. Françoise Ulam gehörte zu einem Kader von " Computerfrauen ", die mühsame und umfangreiche Berechnungen thermonuklearer Szenarien auf mechanischen Rechnern durchführten , ergänzt und bestätigt durch Everetts Rechenschieber . Ulam und Fermi arbeiteten bei der weiteren Analyse dieser Szenarien zusammen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich in praktikablen Konfigurationen eine thermonukleare Reaktion nicht entzünden würde, und wenn sie gezündet würde, wäre sie nicht selbsterhaltend. Ulam hatte seine Expertise in Kombinatorik genutzt , um die Kettenreaktion in Deuterium zu analysieren, die viel komplizierter war als die in Uran und Plutonium, und er kam zu dem Schluss, dass bei den (niedrigen) Dichten, die Teller war, keine selbsterhaltende Kettenreaktion stattfinden würde angesichts. Ende 1950 wurden diese Schlussfolgerungen durch von Neumanns Ergebnisse bestätigt.

Im Januar 1951 hatte Ulam eine andere Idee: den mechanischen Schock einer Kernexplosion zu kanalisieren, um den Fusionsbrennstoff zu komprimieren. Auf Empfehlung seiner Frau besprach Ulam diese Idee mit Bradbury und Mark, bevor er Teller davon erzählte. Teller erkannte fast sofort seinen Vorteil, stellte jedoch fest, dass weiche Röntgenstrahlen der Kernspaltung den thermonuklearen Treibstoff stärker komprimieren würden als mechanischer Schock, und schlug Wege vor, diesen Effekt zu verstärken. Am 9. März 1951 legten Teller und Ulam einen gemeinsamen Bericht vor, in dem diese Neuerungen beschrieben wurden. Einige Wochen später schlug Teller vor, einen spaltbaren Stab oder Zylinder in der Mitte des Fusionsbrennstoffs zu platzieren. Die Detonation dieser "Zündkerze" würde helfen, die Fusionsreaktion einzuleiten und zu verstärken. Das auf diesen Ideen basierende Design, das als szenische Strahlungsimplosion bezeichnet wird, ist zum Standard beim Bau thermonuklearer Waffen geworden. Es wird oft als „ Teller-Ulam-Design “ bezeichnet.

Winzige Männer und ein großes silbernes zylindrisches Objekt, das mit vielen Gerüsten und Rohren verbunden ist
Das Wurstgerät des Mike- Atomtests (Ausbeute 10,4 Mt) auf dem Enewetak-Atoll . Der Test war Teil der Operation Ivy . Die Wurst war die erste echte H-Bombe, die jemals getestet wurde, d. h. das erste thermonukleare Gerät, das auf den Teller-Ulam- Prinzipien der gestuften Strahlungsimplosion basiert.

Im September 1951, nach einer Reihe von Differenzen mit Bradbury und anderen Wissenschaftlern, trat Teller von Los Alamos zurück und kehrte an die University of Chicago zurück. Etwa zur gleichen Zeit beurlaubte Ulam als Gastprofessor in Harvard für ein Semester. Teller und Ulam legten zwar einen gemeinsamen Bericht über ihr Design vor und meldeten es gemeinsam zum Patent an, doch bald gerieten sie in einen Streit darüber, wer Anerkennung verdiente. Nach dem Krieg kehrte Bethe an die Cornell University zurück , war jedoch als Berater maßgeblich an der Entwicklung thermonuklearer Waffen beteiligt. 1954 verfasste er einen Artikel über die Geschichte der H-Bombe, der seiner Meinung nach darlegt, dass beide Männer ganz wesentlich zum Durchbruch beigetragen haben. Diese ausgewogene Ansicht wird von anderen Beteiligten geteilt, darunter Mark und Fermi, aber Teller versuchte beharrlich, Ulams Rolle herunterzuspielen. „Nachdem die H-Bombe hergestellt wurde“, erinnerte sich Bethe, „fingen Reporter an, Teller den Vater der H-Bombe zu nennen. Aus Gründen der Geschichte denke ich, dass es genauer ist, zu sagen, dass Ulam der Vater ist, weil er zur Verfügung gestellt wurde der Samen, und Teller ist die Mutter, weil er beim Kind geblieben ist. Was mich betrifft, bin ich wohl die Hebamme."

Nachdem die grundlegenden Fusionsreaktionen bestätigt waren und ein machbares Design in der Hand war, konnte Los Alamos nichts davon abhalten, ein thermonukleares Gerät zu testen. Am 1. November 1952 ereignete sich die erste thermonukleare Explosion, als Ivy Mike auf dem Enewetak Atoll innerhalb des US Pacific Proving Grounds detonierte . Dieses Gerät, das flüssiges Deuterium als Fusionsbrennstoff verwendete, war riesig und als Waffe völlig unbrauchbar. Dennoch bestätigte sein Erfolg das Teller-Ulam-Design und regte die intensive Entwicklung praktischer Waffen an.

Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Problem

Als Ulam nach Los Alamos zurückkehrte, wandte sich seine Aufmerksamkeit vom Waffendesign ab und wandte sich dem Einsatz von Computern zur Untersuchung physikalischer und mathematischer Probleme zu. Zusammen mit John Pasta , der Metropolis im März 1952 half, MANIAC online zu stellen, untersuchte er diese Ideen in einem Bericht "Heuristic Studies in Problems of Mathematical Physics on High Speed ​​Computing Machines", der am 9. Juni 1953 vorgelegt wurde. Er behandelte mehrere Probleme die im Rahmen traditioneller analytischer Methoden nicht behandelt werden können: Blähungen von Flüssigkeiten, Rotationsbewegungen in Gravitationssystemen, magnetische Kraftlinien und hydrodynamische Instabilitäten.

Bald hatten Pasta und Ulam Erfahrung mit elektronischen Berechnungen auf MANIAC, und zu diesem Zeitpunkt hatte sich Enrico Fermi in die Routine eingelebt, akademische Jahre an der University of Chicago und Sommer in Los Alamos zu verbringen. Während dieser Sommerbesuche schlossen sich Pasta, Ulam und Mary Tsingou , eine Programmiererin der MANIAC-Gruppe, an, um eine Variation des klassischen Problems einer von Federn zusammengehaltenen Massenkette zu untersuchen, die Kräfte ausüben, die linear proportional zu ihrer Verschiebung aus dem Gleichgewicht sind. Fermi schlug vor, dieser Kraft eine nichtlineare Komponente hinzuzufügen, die entweder proportional zum Quadrat oder Kubik der Verschiebung oder zu einer komplizierteren "gebrochenen linearen" Funktion gewählt werden könnte. Diese Addition ist das Schlüsselelement des Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Problems , das oft mit der Abkürzung FPUT bezeichnet wird.

Ein klassisches Federsystem kann durch Schwingungsmoden beschrieben werden, die den Obertönen einer gestreckten Geigensaite analog sind. Wenn das System in einem bestimmten Modus startet, entwickeln sich keine Vibrationen in anderen Modi. Bei der nichtlinearen Komponente erwartete Fermi, dass die Energie in einer Mode allmählich auf andere Moden übergeht und schließlich gleichmäßig auf alle Moden verteilt wird. Dies ist ungefähr das, was kurz nach der Initialisierung des Systems mit seiner gesamten Energie im niedrigsten Modus begann, aber viel später tauchte im Wesentlichen die gesamte Energie periodisch im niedrigsten Modus wieder auf. Dieses Verhalten unterscheidet sich stark von der erwarteten Gleichverteilung der Energie . Es blieb bis 1965 mysteriös, als Kruskal und Zabusky zeigten, dass das System nach entsprechenden mathematischen Transformationen durch die Korteweg-de-Vries-Gleichung beschrieben werden kann , die der Prototyp nichtlinearer partieller Differentialgleichungen mit Solitonenlösungen ist. Dies bedeutet, dass das FPUT-Verhalten in Form von Solitonen verstanden werden kann.

Nuklearantrieb

Ein Gemälde einer Raumsonde, die einen Jupiter-ähnlichen Planeten passiert
Eine künstlerische Konzeption des NASA-Referenzdesigns für die Raumsonde Project Orion, die mit Nuklearantrieb betrieben wird

Ab 1955 Ulam und Frederick Reines als Nuklearantrieb von Flugzeugen und Raketen. Dies ist eine attraktive Möglichkeit, da die Kernenergie pro Masseeinheit Brennstoff millionenfach höher ist als die von Chemikalien. Von 1955 bis 1972 wurden ihre Ideen während des Project Rover verfolgt , das den Einsatz von Kernreaktoren zum Antrieb von Raketen erforschte. Auf eine Frage von Senator John O. Pastore bei einer Anhörung des Kongressausschusses zum Thema "Weltraumantrieb durch Kernenergie" am 22. Januar 1958 antwortete Ulam, dass "die Zukunft der gesamten Menschheit jetzt in gewissem Maße unaufhaltsam involviert ist". mit dem Verlassen der Welt."

Ulam und CJ Everett schlugen im Gegensatz zu Rovers kontinuierlichem Erhitzen von Raketenabgasen auch vor, kleine nukleare Explosionen für den Antrieb zu nutzen. Project Orion war eine Studie dieser Idee. Es begann 1958 und endete 1965, nachdem der Vertrag über ein teilweises Verbot von Nuklearversuchen von 1963 Atomwaffentests in der Atmosphäre und im Weltraum verbot. Die Arbeit an diesem Projekt wurde vom Physiker Freeman Dyson angeführt , der die Entscheidung, Orion zu beenden, in seinem Artikel "Death of a Project" kommentierte.

Bradbury ernannte Ulam und John H. Manley 1957 zu Forschungsberatern des Labordirektors. Diese neu geschaffenen Positionen befanden sich auf der gleichen Verwaltungsebene wie die Abteilungsleiter, und Ulam hatte diese bis zu seiner Pensionierung aus Los Alamos inne. In dieser Funktion war er in der Lage, Programme in vielen Bereichen zu beeinflussen und zu leiten: Theorie, Physik, Chemie, Metallurgie, Waffen, Gesundheit, Rover und andere.

Neben diesen Aktivitäten veröffentlichte Ulam weiterhin technische Berichte und Forschungsarbeiten. Eine davon führte das Fermi-Ulam-Modell ein , eine Erweiterung von Fermis Theorie der Beschleunigung der kosmischen Strahlung . Eine andere, mit Paul Stein und Mary Tsingou , betitelte „Quadratic Transformations“, war eine frühe Untersuchung der Chaostheorie und gilt als die erste veröffentlichte Verwendung des Begriffs „ chaotisches Verhalten “.

Zurück zur Wissenschaft

Viele Punkte, aber diagonale Linien bilden
Wenn die positiven ganzen Zahlen entlang der Ulam-Spirale angeordnet sind , neigen Primzahlen, dargestellt durch Punkte, dazu, sich entlang diagonaler Linien zu sammeln.

Während seiner Zeit in Los Alamos war Ulam von 1951 bis 1952 Gastprofessor in Harvard, 1956 bis 1957 am MIT , 1963 an der University of California, San Diego und von 1961 bis 1962 und 1965 an der University of Colorado in Boulder 1967. 1967 wurde die letzte dieser Positionen unbefristet, als Ulam zum Professor und Vorsitzenden des Department of Mathematics in Boulder, Colorado, ernannt wurde . Er behielt eine Residenz in Santa Fe, New Mexico , was es bequem machte, die Sommer als Berater in Los Alamos zu verbringen.

In Colorado, wo er sich seinen Freunden Gamow, Richtmyer und Hawkins anschloss, wandten sich Ulams Forschungsinteressen der Biologie zu . In Anerkennung dieser Betonung ernannte die Medizinische Fakultät der University of Colorado Ulam 1968 zum Professor für Biomathematik, den er bis zu seinem Tod innehatte. Mit seinem Los Alamos-Kollegen Robert Schrandt veröffentlichte er einen Bericht mit dem Titel "Some Elementary Attempts at Numerical Modeling of Problems Concerning Rates of Evolutionary Processes", der seine früheren Ideen zu Verzweigungsvorgängen auf die biologische Vererbung anwandte. Ein anderer Bericht mit William Beyer, Temple F. Smith und ML Stein mit dem Titel "Metrics in Biology" führte neue Ideen über biometrische Entfernungen ein.

Als er 1975 aus Colorado in den Ruhestand ging, hatte Ulam begonnen, die Wintersemester an der University of Florida zu verbringen , wo er als Forschungsprofessor tätig war. Abgesehen von Sabbaticals an der University of California, Davis von 1982 bis 1983 und an der Rockefeller University von 1980 bis 1984, hielt sich dieses Muster, die Sommer in Colorado und Los Alamos und die Winter in Florida zu verbringen, bis Ulam in Santa Fe an einem Herzinfarkt starb am 13. Mai 1984. Paul Erdős bemerkte, dass "er plötzlich an Herzversagen starb, ohne Angst oder Schmerzen, während er noch beweisen und Vermutungen anstellen konnte." 1987 hinterlegte Françoise Ulam seine Papiere bei der American Philosophical Society Library in Philadelphia . Sie lebte weiterhin in Santa Fe, bis sie am 30. April 2011 im Alter von 93 Jahren starb. Sowohl Françoise als auch ihr Mann sind mit ihrer französischen Familie auf dem Friedhof Montparnasse in Paris beigesetzt.

Herausforderung für die Wirtschaft

Alfred Marshall und seine Schüler dominierten bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs die Wirtschaftstheorie. Mit dem Kalten Krieg änderte sich die Theorie und betonte, dass eine Marktwirtschaft der überlegene und der einzig vernünftige Weg sei. In Paul Samuelsons „Economics: An Introductory Analysis“, 1948, war Adam Smiths „unsichtbare Hand“ nur eine Fußnote. In späteren Ausgaben wurde es zum zentralen Thema. Wie Samuelson sich erinnert, wurde all dies von Stanislaw Ulam in Frage gestellt: "Vor [Jahren] Jahren... war ich zusammen mit dem Mathematiker Stanislaw Ulam in der Society of Fellows in Harvard und Mitentdecker der Wasserstoffbombe,... pflegte mich zu ärgern, indem er sagte: 'Nennen Sie mir eine Aussage in allen Sozialwissenschaften, die sowohl wahr als auch nicht trivial ist.' Dies war der Test, an dem ich immer scheiterte, aber jetzt, etwa dreißig Jahre später ... fällt mir eine passende Antwort ein: Die Ricardsche Theorie des komparativen Vorteils ... nicht trivial ist, bezeugen Tausende von bedeutenden und intelligenten Männern, die die Lehre nie für sich begreifen oder glauben konnten, nachdem sie ihnen erklärt worden war."

Wirkung und Vermächtnis

Von der Veröffentlichung seiner ersten Arbeit als Student im Jahr 1929 bis zu seinem Tod schrieb Ulam ständig über Mathematik. Die Liste der Veröffentlichungen von Ulam umfasst mehr als 150 Aufsätze. Themen, die durch eine bedeutende Anzahl von Arbeiten vertreten werden, sind: Mengenlehre (einschließlich messbarer Kardinäle und abstrakter Maße ), Topologie , Transformationstheorie , Ergodentheorie , Gruppentheorie , projektive Algebra , Zahlentheorie , Kombinatorik und Graphentheorie . Im März 2009 enthielt die Datenbank der Mathematical Reviews 697 Artikel mit dem Namen "Ulam".

Bemerkenswerte Ergebnisse dieser Arbeit sind:

Mit seiner Schlüsselrolle bei der Entwicklung thermonuklearer Waffen hat Stanislaw Ulam die Welt verändert. Laut Françoise Ulam: "Stan würde mir versichern, dass die H-Bombe, abgesehen von Unfällen, einen Atomkrieg unmöglich gemacht hat." 1980 traten Ulam und seine Frau in der Fernsehdokumentation The Day After Trinity auf .

Ein Quadrat mit den Zahlen 1 bis 120. Zahlen sind anfangs grau, werden aber beim Eliminieren lila;  die Glückszahlen bleiben dann erhalten und sind rot markiert.
Eine Animation, die das Glückszahlensieb demonstriert. Die roten Zahlen sind Glückszahlen

Die Monte-Carlo-Methode ist zu einem allgegenwärtigen und standardmäßigen Rechenansatz geworden, und die Methode wurde auf eine Vielzahl wissenschaftlicher Probleme angewendet. Neben Problemen in Physik und Mathematik wurde die Methode in den Bereichen Finanzen , Sozialwissenschaften, Umweltrisikobewertung , Linguistik, Strahlentherapie und Sport angewendet .

Das Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-Problem gilt nicht nur als "die Geburt der experimentellen Mathematik", sondern auch als Inspiration für das weite Feld der nichtlinearen Wissenschaft. David K. Campbell hat in seinem Lilienfeld-Preis- Vortrag auf diesen Zusammenhang hingewiesen und beschrieben, wie FPUT Ideen in Chaos , Solitonen und dynamischen Systemen hervorgebracht hat . 1980 gründete Donald Kerr , Laborleiter in Los Alamos, mit der starken Unterstützung von Ulam und Mark Kac das Center for Nonlinear Studies (CNLS). 1985 initiierte CNLS das Stanislaw M. Ulam Distinguished Scholar- Programm, das eine jährliche Auszeichnung vergibt, die es einem renommierten Wissenschaftler ermöglicht, ein Jahr lang in Los Alamos zu forschen.

Der 50. Jahrestag des ursprünglichen FPUT-Papiers war Thema der März-Ausgabe 2005 der Zeitschrift Chaos und Thema der 25. Internationalen Jahreskonferenz des CNLS. Die University of Southern Mississippi und die University of Florida unterstützten das Ulam Quarterly , das von 1992 bis 1996 aktiv war und eines der ersten mathematischen Online-Journals war. Floridas Fakultät für Mathematik hat seit 1998 die jährliche Ulam Colloquium Lecture und im März 2009 die Ulam Centennial Conference gesponsert .

Ulams Arbeiten zu nichteuklidischen Distanzmetriken im Kontext der Molekularbiologie leisteten einen bedeutenden Beitrag zur Sequenzanalyse und seine Beiträge zur theoretischen Biologie gelten als Wendepunkt in der Entwicklung der Theorie zellulärer Automaten , der Populationsbiologie , der Mustererkennung und der Biometrie im Allgemeinen (David Sankoff , stellte jedoch die Schlussfolgerungen von Walter in Frage, indem er schrieb, dass Ulam nur einen bescheidenen Einfluss auf die frühe Entwicklung von Sequenz-Alignment-Methoden hatte.). Kollegen stellten fest, dass einige seiner größten Beiträge darin bestanden, zu lösende Probleme und allgemeine Techniken zu ihrer Lösung klar zu identifizieren.

1987 gab Los Alamos eine Sonderausgabe seiner Science- Publikation heraus, die seine Leistungen zusammenfasste und 1989 als Buch From Cardinals to Chaos erschien . In ähnlicher Weise veröffentlichte die University of California Press 1990 eine Zusammenstellung mathematischer Berichte von Ulam und seinen Mitarbeitern in Los Alamos: Analogies Between Analogies . Während seiner Karriere wurde Ulam von den Universitäten von New Mexico , Wisconsin und Pittsburgh die Ehrendoktorwürde verliehen .

Literaturverzeichnis

  • Kac, Mark ; Ulam, Stanisław (1968). Mathematik und Logik: Rückblick und Ausblick . New York: Praeger. ISBN 978-0-486-67085-0. OCLC  24847821 .
  • Ulam, Stanisław (1974). Beyer, WA; Mycielski und J.; Rota, G.-C. (Hrsg.). Mengen, Zahlen und Universen: ausgewählte Werke . Mathematiker unserer Zeit. 9 . The MIT Press, Cambridge, Mass.-London. ISBN 978-0-262-02108-1. MR  0.441.664 .
  • Ulam, Stanisław (1960). Eine Sammlung mathematischer Probleme . New York: Interscience Publishers. OCLC  526673 .
  • Ulam, Stanisław (1983). Abenteuer eines Mathematikers . New York: Charles Scribners Söhne. ISBN 978-0-684-14391-0. OCLC  1528346 . (Autobiographie).
  • Ulam, Stanisław (1986). Wissenschaft, Computer und Menschen: Vom Baum der Mathematik . Boston: Birkhäuser. ISBN 978-3-7643-3276-1. OCLC  11260216 .
  • Ulam, Stanisław; Ulam, Françoise (1990). Analogien zwischen Analogien: Die mathematischen Berichte von SM Ulam und seinen Mitarbeitern in Los Alamos . Berkeley: University of California Press. ISBN 978-0-520-05290-1. OCLC  20318499 .

Siehe auch

Verweise

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