16 minute read
Bom in de ivoren toren
De bom in de ivoren toren
Het Institute for Advanced Study in Princeton is strikt bedoeld voor zuiver theoretisch onderzoek. Toch bracht het zowel de computer als de waterstofbom voort. Het was allemaal de schuld van Johnny.
ALAN RICHARDS PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA Door Ed Croonenberg
‘We zijn bezig een monster te creëren dat de toekomst zal veranderen – als er überhaupt nog een toekomst in het verschiet ligt.’
Toen John von Neumann begin 1945 deze woorden sprak tegen zijn vrouw Klara, was hij betrokken bij de ontwikkeling van Amerika’s eerste atoombom. Maar volgens Klara was het niet de bom die hem het meeste vrees inboezemde. Het eigenlijke monster, zo vond hij, was de machine die het kernwapen mogelijk had gemaakt: de elektronische computer.
John von Neumann was in die dagen een van de grote wetenschappelijke sterren van het Institute for Advanced Studies (IAS) in Princeton. Deze bijzondere wetenschappelijke instelling is geheel zelfstandig, en het onderzoek dat er bedreven wordt dient volgens de statuten strikt theoretisch van aard te zijn. Over de man die zich daar niets van aantrok, gaat dit verhaal.
De geestelijke vader van het Instituut was Abraham Flexner (1866-1959). Deze Amerikaanse onderwijsdeskundige had een droom: het opzetten van een wetenschappelijk oase voor de helderst stralende sterren der wetenschap. Hij besefte dat dit kostbaar zou zijn, aangezien ook grote geesten prijs stellen op een goed inkomen en aantrekkelijke secundaire arbeidsvoorwaarden. Collegegeld heffen was geen optie omdat Flexner vond dat de geleerden vrijgesteld dienden te zijn van elke beslommering die hun denken uit balans zou kunnen brengen. Alleen weldoeners, kortom, zouden dit welhaast utopische project vlot kunnen trekken.
In 1929 dienden deze zich aan in de personen van Louis Bamberger en diens zus Caroline Bamberger-Fuld. De twee hadden juist op tijd, namelijk zes weken voor Zwarte Donderdag, hun warenhuis Bamberger’s verkocht. Een deel van de opbrengst wensten ze te besteden aan het oprichten van een medische universiteit in New Jersey. De reden dat ze Flexner consulteerden, was dat deze grote naam had gemaakt met het kritisch doorlichten van talloze Amerikaanse medische faculteiten, die in het begin van de twintigste eeuw veelal van abominabele kwaliteit waren.
Het mag geen verbazing wekken dat Flexner zijn kans schoon zag en de Bambergers richting zijn droom begon te masseren. Na tal van lunches in de New Yorkse hotelsuite van de rijkaards, gaven deze hem volledig zijn zin. Als locatie voor zijn Instituut voor Voortgezette Studie koos hij Princeton: vlak bij een universiteit met een beroemde wiskundige bibliotheek, niet te ver van New York, maar toch landelijk. De
eerste jaren huurde het IAS kantoren van de universiteit. In 1936 werd een landgoed aangekocht en in 1939 was het hoofdgebouw klaar: Fuld Hall, de plek waar tegenwoordig Robbert Dijkgraaf kantoor houdt.
Flexner begreep dat de reputatie van zijn Instituut zou staan of vallen met de eerste geleerden die er zouden arriveren. In het streven de allergrootste geleerden van zijn tijd aan boord te halen kreeg hij onverwacht hulp van een duistere bondgenoot: Adolf Hitler. In luttele jaren wist de Führer het grootste deel van de Duitse en Midden-Europese wetenschappelijke gemeenschap – onder wie zich nogal wat joden bevonden – de grens over te jagen. Een beroemdheid als Albert Einstein kon overal ter wereld terecht, maar koos in 1933 voor het gloednieuwe instituut van Flexner. Hij werd er al snel vergezeld door de door velen briljant geachte wiskundige János Lajos Neumann, een Hongaar van joodse origine die zijn naam al snel zou verengelsen tot John von Neumann.
Er zijn opmerkelijk weinig bewegende beelden bekend van Von Neumann. Op YouTube is een documentaire te vinden waarin hij vragen beantwoordt van scholieren. Gedurende de hele film wordt hij liefkozend ‘Johnny’ genoemd. De grote wiskundige was in 1966, het jaar dat die documentaire gemaakt werd, al een kleine tien jaar dood, maar zijn vrienden en collega’s spreken nog altijd met grote genegenheid over de man die niettemin van mening was dat de Sovjet-Unie bij wijze van voorzorgsmaatregel met waterstofbommen van de kaart zou moeten worden geveegd.
Een hogere diersoort
János Lajos Neumann werd op 28 december 1903 in Boedapest geboren met een gouden lepel in zijn mond. Hij ontving al op jeugdige leeftijd privéonderwijs aan huis – een achttien kamers tellend appartement waarin zich onder andere een bibliotheek bevond. Dat de bankierszoon talent had voor getallen, blijkt uit het feit dat hij als achtjarige reeds vertrouwd was met differentiaal- en integraalrekening. Tijdens zijn schooltijd aan het chique Fasori Gymnasium in Boedapest, volgde János privélessen van Gábor Szego´´. Toen deze befaamde wiskundige János voor het eerst ontmoette, schijnt hij in huilen te zijn uitgebarsten vanwege het wiskundige talent dat de jongen tentoonspreidde. Vier jaar later zou Szego´´’s pupil zijn eerste wetenschappelijke publicaties op zijn naam schrijven – die meteen opvielen.
János vader – de bankier – was matig onder de indruk. Omdat in Oostenrijk-Hongarije wiskundigen slecht betaald werden, leek het senior verstandiger dat János scheikundig ingenieur zou worden, zodat hij fortuin zou kunnen maken in de industrie. János gehoorzaamde, maar studeerde niettemin tegelijkertijd af in de wiskunde, overigens zonder ooit de colleges te hebben gevolgd.
Nadat hij eind 1927 was aangesteld als docent aan de universiteit van Berlijn, ging zijn carrière hard vanwege zijn enorme productie van bovendien zeer opvallende publicaties. In 1929 accepteerde János een aanstelling in Hamburg. In 1930 ontving hij een uitnodiging om gastdocent te worden aan de universiteit van Princeton. In 1933 zou Flexner hem strikken voor zijn IAS.
Het is onmogelijk om het werk van Von Neumann in kort bestek samen te vatten. Johnny was in alles en nog wat geïnteresseerd, met als resultaat dat hij zich bezig hield met de wiskunde van eigenlijk alles.
In 1939 was het hoofdgebouw van het Institute for Advanced Study klaar: Fuld Hall, de plek waar tegenwoordig Robbert Dijkgraaf kantoor houdt.
ROSE AND SON PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA
Von Neumann heeft belangrijk bijgedragen aan de wiskundige onderbouwing van de in zijn tijd nog jonge quantummechanica. Ook wordt hij beschouwd als een van de grondleggers van de speltheorie, waarover hij in 1944 samen met Oskar Morgenstern een boek schreef. Even baanbrekend was zijn onderzoek in de vloeistofdynamica. Het meest bekend is hij echter als uitvinder van de Von Neumann-cyclus, die de grondslag vormt van de moderne computer.
Wie zich achter al dit intellectuele geweld een teruggetrokken zonderling voorstelt, slaat de plank mis. Nadat Johnny gestorven was, schreef zijn beste vriend Stanislaw Ulam in zijn necrologie dat de deur van de Von Neumanns altijd open stond. ‘Zijn vrienden zullen zich altijd de onuitputtelijke gastvrijheid blijven herinneren, evenals de atmosfeer van intelligentie en gevatheid die er hing.’ Johnny hield niet van stilte en werkte het liefst te midden van geroezemoes. Tijdens de talrijke feestjes die de veelal nog jonge wetenschappers organiseerden was hij regelmatig een half uurtje zoek. Dan zat hij elders in het pand de invallen uit te schrijven die tijdens het feestgedruis in zijn
hoofd waren opgekomen. Hij schuwde dis noch drank, en was dol op roddels. ‘Ik had vaak het gevoel dat hij een verzameling van menselijke eigenaardigheden in zijn geheugen aan het aanleggen was, om er ooit later een statistische analyse op uit te kunnen voeren’, schrijft Ulam.
Johnny’s mentale vermogens waren legendarisch. ‘Ik heb mij wel eens afgevraagd of een brein als dat van Von Neumann niet duidt op een hogere diersoort dan de mens’, zei Nobelprijswinnaar Hans Bethe ooit. Johnny had de gave om ingewikkelde wiskundige vergelijkingen zonder pen en papier op te lossen. Gibbons standaardwerk over de val van het Romeinse Rijk kende hij naar verluidt uit zijn hoofd – hij beschikte over een fotografisch geheugen en was bovendien zeer geïnteresseerd in de klassieke oudheid.
Meisjes van Eniac
Een bijzondere man dus, in een bijzondere omgeving: het IAS. Binnen enkele jaren zou daar een bijzondere omstandigheid bijkomen: de Tweede Wereldoorlog. In 1938 had de Duitser Otto Hahn de mogelijkheid van kernsplitsing aangetoond. In de VS was dit, in 1939, aanleiding tot de zogenaamde Einstein–Szilárd-brief aan President Roosevelt, waarin Albert Einstein uit naam van een aantal prominente wetenschappers opriep om de nazi’s voor te zijn in de ontwikkeling van een nucleair wapen.
De brief zou het startschot vormen van het Manhattan-project: de supergeheime militaire mega-onderneming die op 16 juli 1945, in een woestijn in New Mexico, zou leiden tot ’s werelds eerste kernexplosie. Deze bom, informeel ‘The Gadget’ genaamd, was van het zogeheten implosietype. Een bol plutonium werd omsloten door een aantal zeer precies ontworpen conven-
tionele springladingen die explosielenzen worden genoemd. Wanneer deze afgingen, drukten de resulterende schokgolven de plutoniumbol dusdanig samen dat er een kernreactie optrad. Johnny speelde een hoofdrol in de ontwikkeling van deze lenzen, die nog steeds de basis vormen van moderne kernwapens. Ook berekende hij hoe hoog boven de grond een atoombom het beste zou kunnen exploderen om maximale schade aan te richten.
Het was in deze militaire context dat Von Neumann voor het eerste in aanraking kwam met de Electronic Numerical Integrator And Computer (Eniac), het elektronische rekenmonster van het Ballistic Research Laboratory van het Amerikaanse leger. Het woord ‘computer’ stond in deze tijd overigens niet voor een machine maar voor een mens van vlees en bloed – een vrouw in de praktijk – die met behulp van mechanische rekenmachines ingewikkelde berekeningen uitvoerde. Menselijke computers stelden bijvoorbeeld de ballistische tabellen op die in het veld werden gebruikt voor het richten van kanonnen. De Eniac werd in de eerste plaats ontworpen om dit soort monnikenwerk automatisch en – vooral – veel sneller uit te voeren.
In september 1944 werd Johnny voor het eerst tot de geheime machine toegelaten. Hij begreep meteen dat hij oog in oog stond met de toekomst. De Eniac was namelijk ‘Turing-compleet’. Dat betekende dat de Eniac in principe elke denkbaar probleem in een reeks van kleine stapjes kon oplossen. De Britse wiskundige Alan Turing had de werking van een dergelijke machine in 1936 beschreven in zijn baanbrekende paper On Computable Numbers. In de jaren veertig gold Turings principe als de heilige graal – althans in de zeer selecte kring van mensen die de verstrekkendheid ervan doorzagen. ‘Als de eerste volledig automatische digitale computer die overal voor kan worden gebruikt, is de Eniac beslist een vooruitstrevend waagstuk te noemen’, aldus Von Neumann in 1945.
Dat wil niet zeggen dat hij geen oog had voor de beperkingen van de machine. Zo vereiste het invoeren van een nieuw programma dat de zogenoemde ‘meisjes van Eniac’ – ondanks de laatdunkende benaming geschoolde ingenieurs – vele honderden kabeltjes dienden om te pluggen. Johnny besefte dat dit zo’n beetje de slechtste methode moest zijn om van computerprogramma te wisselen. Eniac was weliswaar bedoeld voor ballistische berekeningen, maar werd vanaf december 1945 vooral ingezet voor het kernwapenonderzoek. Von Neumann had zich ondertussen vast voorgenomen zelf een computer te bouwen. Aanvankelijk zag hij het wel zitten om dit te doen met de hoofdontwerpers van de Eniac, Pres Eckert en John Mauchly van de universiteit van Pennsylvania. Die waren echter van plan de
Hitler joeg het grootste deel van de wetenschappelijke elite de grens over, onder meer naar de VS
Albert Einstein met Clara Lavinia Bamberger, zus van de IAS-oprichters.
ROSE AND SON PHOTOGRAPHER. FROM THE SHELBY WHITE AND LEON LEVY ARCHIVES CENTER, INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY, PRINCETON, NJ, USA
DE KEUZEDIJKGRAAF VAN
‘Princeton was opgezet als veilige haven voor diepe gedachten. Met als idee dat door goede mensen op een plek met ongekende vrijheid te zetten, er fantastische dingen ontstaan. Er golden bijna geen regels. De enige regel was: geen apparaten bouwen. Von Neumann brak die regel door een computer te bouwen. Die leidde niet alleen tot de waterstofbom, maar bleek een enorme bijdrage te leveren aan de wetenschap. Het is fantastisch dat Von Neumann door die ene regel te breken, het oorspronkelijke idee van Princeton bevestigde.’
academische wereld de rug toe te keren en een commercieel bedrijf op te zetten. Johnny was hier bepaald verbolgen over, maar dat weerhield hem niet om zichzelf dik te laten betalen als consultant voor IBM, de leider in ponskaarttechnologie die grote belangstelling aan de dag legde voor de elektronische computer. ‘Hij heeft al onze ideeen via de achterdeur aan IBM verkocht’, zo zou Eckert later klagen.
Inmiddels was Von Neumanns reputatie hem zover vooruitgesneld dat niet alleen IBM, maar ook MIT, Harvard en de universiteit van Chicago hem voorstelden op hun kosten een computer te bouwen. Zelf zette hij zijn zinnen echter vanaf het voorjaar van 1946 op zijn eigen IAS. Dat was niet in de laatste plaats te danken aan Frank Aydelotte. De man die Flexner als directeur had opgevolgd, wilde Von Neumann koste wat kost behouden voor het Instituut. Er was echter een probleem met betrekking tot de statuten van het IAS: in hoeverre kon je de bouw van een fysiek apparaat nog theoretische wetenschapsbeoefening noemen? ‘In degelijk dat het Instituut een goede omgeving was voor zijn computer. Hij vermoedde namelijk dat het opstellen van de algoritmen voor de machine een grotere uitdaging zou vormen dan de bouw van de computer zelf. En daar zou hij de hulp van de IAStheoretici uitstekend bij kunnen gebruiken.
Om een nieuw programma in te voeren moesten de ‘meisjes van Eniac’ vele honderden kabeltjes ompluggen.
RUE DES ARCHIVES SAS / HOLLANDSE HOOGTE
feite was er nauwelijks een minder waarschijnlijke omgeving denkbaar’, aldus Julian Bigelow, de ingenieur die Johnny’s ontwerp uiteindelijk in werkende hardware zou omzetten. ‘Hoe valt zoiets te rijmen met het Princetitute?’ vroeg wiskundige Norbert Wiener van het MIT zich in diezelfde tijd snerend af. ‘Je zult daarvoor uiteindelijk toch iets van een lab nodig hebben. En laboratoria gedijen nu eenmaal niet in ivoren torens.’
Aydelotte hield echter voet bij stuk. ‘Natuurlijk is het een mechanisch ding, maar we kunnen hem toch bouwen omdat de rechtvaardiging ervan theoretisch is’, zo verklaarde hij. ‘Het belang van een machine waarmee vergelijkingen 10.000 keer sneller kunnen worden opgelost is niet dat iemand dan 100 keer meer kan doen in 100 keer zo weinig tijd’, zo voegde Von Neumann daaraan toe, ‘maar dat we problemen zullen kunnen oplossen die nu nog volkomen buiten ons bereik liggen. Het apparaat zal zo radicaal nieuw zijn dat we pas nadat hij gereed is een idee zullen krijgen waar we hem allemaal voor kunnen gebruiken. Toepassingen die we op dit moment niet of nauwelijks kunnen voorspellen, zullen waarschijnlijk de meest belangrijke worden.’
Die uitspraak getuigt weliswaar van visie, maar illustreert ook dat Johnny een goede verkoper was. Overigens vond hij zelf wel
750 keer Hiroshima
Von Neumann vroeg en kreeg 100.000 dollar per jaar voor de ontwikkeling van zijn computer (gecorrigeerd voor inflatie 1,2 miljoen dollar). Het kostte het Instituut geen moeite dat te financieren, aangezien allerlei militaire instanties met plezier de collectebus vulden.
Von Neumann gebruikte het geld om mensen aan te trekken als de wiskundige Arthur Burks, een van de medeontwerpers van de Eniac. In juni 1946 publiceerde Johnny’s team een 54 pagina’s tellend gestencild rapport met de naam Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument. In dit document wordt onder meer beschreven hoe de Eniac-meisjes overbodig kunnen worden gemaakt. Von Neumanns computer zou het computerprogramma in de vorm van binaire code opslaan in het werkgeheugen, dus pal naast de te bewerken data. Een zogenaamde control unit zou ervoor zorgen dat instructies en gegevens elkaar niet zouden corrumperen. Anno 2016 is deze zogenaamde Von Neumann-architectuur in elke
Ivy Mike, de eerste waterstofbom, explodeerde op 1 november 1952 met een kracht van grofweg 750 Hiroshima’s.
CTBTO
pc, tablet en smartphone terug te vinden.
Zoals altijd met radicaal nieuwe vindingen kostte de daadwerkelijke realisatie van de IAS machine (informeel ook wel de Maniac genaamd) meer tijd dan verwacht. Pas in de zomer van 1951 vonden de eerste tests plaats. Op 10 juni 1952 werd de machine operationeel verklaard. Er was meteen een toepassing voor: het doorrekenen van een volgend, extreem verwoestend kernwapen: de waterstofbom.
In 1947 volgde Robert Oppenheimer Frank Aydelotte op als directeur van het IAS. Als hoofd van het Los Alamos National Laboratory had Oppenheimer naam gemaakt als ‘de vader van de atoombom’. 1947 was ook het jaar dat onder leiding van Von Neumann begonnen werd aan de ontwikkeling van een computerprogramma om kernexplosies te simuleren. Klara von Neumann maakte deel uit van het ontwikkelteam. Omdat de IAS-computer nog in ontwikkeling was, werd Hippo – zoals het programma zou gaan heten – uitgetest op een primitieve IBM-computer in New York.
Of een waterstofbom echt zou werken, wist op dat moment niemand. Het idee was simpel genoeg. In een ‘gewone’ atoombom wordt een zwaar, radioactief materiaal – zoals plutonium – korte tijd zodanig samengeperst dat het uiteenvalt in lichtere elementen. Daarbij komt volgens Einsteins bekende formule E=mc2 heel veel energie vrij: boem!
In een waterstofbom (tegenwoordig meestal ‘thermonucleair wapen’ genoemd) wordt juist een heel licht materiaal – waterstof – extreem samengeperst waardoor de atomen fuseren tot zwaardere elementen. Hierbij komt nog veel meer energie vrij dan bij kernsplijting: BOEM!!! Een thermonucleaire bom kan daardoor honderden keren
krachtiger zijn dan de exemplarische Hiroshima-bom. Het probleem is echter dat de fusiereactie alleen op gang kan worden gebracht door als ‘slaghoedje’ een splijtingsbom te gebruiken. Onderzoekers waren sceptisch of dat ooit zou werken, omdat de berekeningen er keer op keer op wezen dat de bom uit elkaar zou spatten voordat de fusiereactie goed en wel op gang zou komen – een fizzle in kernjargon.
Los Alamos worstelde jarenlang met dit probleem, totdat Stan Ulam van het IAS plotseling het licht zag. Op 9 maart 1951 publiceerde hij samen met Edward Teller een geheim artikel waarin de zogenoemd ‘heterokatalytische configuratie’ voor een waterstofbom beschreven wordt die sindsdien bekendstaat als het Teller-Ulamontwerp. Vanaf de zomer van 1951 werd het principe getest op de gloednieuwe IAScomputer – met groot succes. Ivy Mike, de eerste waterstofbom, explodeerde op 1 november 1952 met een kracht van 10,4 à 12 megaton – grofweg 750 Hiroshima’s.
Uiteraard hing binnen de muren van het Instituut een zweem van geheimzinnigheid over het kernwapenonderzoek. Maar de op hun scherpe geest geselecteerde wiskundigen van het IAS hadden weinig moeite te raden wat er gaande moest zijn. Virginia Davis, de vrouw van wiskundige Martin Davis, herinnert zich dat ze een keer ‘STOP THE BOMB’ schreef in het stof op Von Neumanns auto.
Wraak van de snobs
De thermonucleaire bom zou niet te stoppen blijken, en de computer evenmin. Maar Johnny wel. In 1956 werd bij hem kanker geconstateerd. Op 8 februari 1957 hielden in zijn bijzondere brein de neuronen op met vuren. Dit bezegelde tevens het lot van zijn computer. Het IAS richtte een comité op dat hoorzittingen organiseerde over de rol van Johnny’s levenswerk. De conclusie luidde dat de computer inmiddels geëvalueerd was tot een commercieel verkrijgbaar stuk gereedschap, en aldus geen functie meer vervulde in een puur theoretische onderzoeksomgeving. De computer werd ontmanteld en Johnny’s lab kreeg een nieuwe functie als opslagruimte voor schrijfblokken en schoolbordkrijt. Of zoals faculteitslid Freeman Dyson het zou uitdrukken: ‘De snobs hadden wraak genomen.’
TWEAKERS . NET ALSOF JE 700.000 TECHNISCHE NEEFJES HEBT
