虚拟博物馆 “古代史”部分

第1~3展厅


1、走进电脑时代

1983年1月,美国《时代》周刊(TIME)为上年度当选的“风云人物”撰文说:“在这一年里,这是最具影响力的新闻,它代表了一种进程,一种被全社会广泛接受并带来巨大变革的进程……这就是为什么《时代》在风云激荡的当今世界中选择这么一位 ‘人物’,但它不是一个人,而是一台机器——计算机。”

计算机是20世纪人类最伟大发明之一。西方人发明了这种奇妙的计算机器,为它起名为Computer。今天,计算机的概念早就背离了它的本义,    中国人把它与“人脑”相对应,先知先觉地称它为“电脑”。电脑不仅与计算有关,它还决定着我们的命运。50余年来,特别是近20年的事实雄辩地证明,这台机器以磅礴之势迅猛发展,用非凡的渗透力和亲和力,彻底改变了我们这个星球的模样,融进每个人的工作、学习和生活之中,已在世界范围内形成了一种新的文化,构造了一种崭新的文明。

从20世纪中期直到下一世纪,都是电脑和电脑网络的时代。关注电脑, 关注电脑网络,不啻于关注21世纪人类文明的生命线。历史是未来的一面镜子,关注电脑的人都希望了解电脑发生和发展的历程。确切地讲,《时代》周刊评选机器作为年度“风云人物”的起因,源于1981年IBMPC,  即个人电脑(Personal Computer)的诞生和勃兴。  这是一个值得大书特书的历史瞬间, 由此,我们可以向前追溯到50多年前第一台电子计算机ENIAC诞生的岁月,甚至可以上溯至人类发明计算工具的远古年代;由此,我们也可以向后回顾和感受电脑网络“爆炸”般的冲击波。在这既漫长而又短暂的期间里, 曾发生过多少激动人心的奇迹,涌现了多少勇于创新可歌可泣的英雄人物, 其中,不乏精彩的镜头和里程碑式的文物,它们甚至比枯燥的文字更能引起人们心灵的回应。

让我们倒转时空,追随历史的倩影,从农业社会、工业社会,一步步走向知识经济社会的未来之路。

 

 

 

 

2、运筹于帷幄之中

电脑的史前史应该从计算工具发端,至少可以追溯到我们祖先用石头或手指帮助计数的远古时代。英语里的“Calculus”(计算)一词来源于拉丁语,既有“算法”的含义,也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。古人用石头计算捕获的猎物,石头就是他们的计算工具。 美国著名科普大师阿西莫夫说过, 人类最早的 “计算机” 是手指, 英语单词“Digit” 既表示“手指”又表示“整数数字”。而中国数学史专家考证,大约在新石器时代早期,即远古传说里伏羲、黄帝之前,先民使用的“计算机”是结绳,即用绳子打结的多少来表示数的概念。

当我们的祖先告别了结绳记数,数学的萌芽让人类开始了“数字化生存”的初次尝试。从公元前四五千年起,美索不达米亚两河流域苏美尔人在发明楔形文字的同时,也在泥板上刻下了人类最早的一批数字符号

人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。  古语曰:“运筹策于帷幄之中,决胜于千里之外。”筹策又叫算筹,它是中国古代普遍采用的一种计算工具。算筹不仅可以替代手指来帮助计数,而且能做加减乘除等数学运算。中国古代数学家正是以“算筹计算机”为工具,运筹帷幄,殚精竭虑,写下了数学史上光辉的一页。

中国古代使用的算筹多用竹子制成,也用木头、兽骨充当材料。    据古书记载,算筹一般长为13~14cm,直径0.2~0.3cm,约二百七十枚为一束,放在布袋里随身携带。古人创造了纵式和横式两种不同的摆法,两种摆法都可以用1~9九种数字来计算任意大的自然数,与现代通行的十进制计数法完全一致,显示了中国古代人民高超的数学才能。可见,算筹属于硬件,而摆法就是“算筹计算机”的软件。

公元500年前, 中国南北朝时期的数学家祖冲之(公元429~500年),借助算筹作为计算工具,  成功地将圆周率π值计算到小数点后的第7位,即在3.1415926至3.1415927之间,成为当时世界上最精确的π值,比法国数学家韦达的相同成就早了1100多年。

中国古代在计算工具领域的另一项发明是珠算盘,直到今天,   它仍然是许多人钟爱的“计算机”。珠算盘最早记录于汉朝人徐岳撰写的《数术记遗》一书里,大约在宋元时期开始流行,而算盘最终彻底淘汰了筹算是在明代完成的。

明代的珠算盘已经与现代算盘完全相同,通常具有13档,每档上部有2颗珠而下部有5颗珠,中间由横梁隔开,通过“口诀”即“算法”进行快速运算。由于珠算具有“随手拨珠便成答数”的优点,一时间风靡海内,并且逐渐传入日本、朝鲜、越南、泰国等地,以后,又经一些商人和旅行家带到欧洲,逐渐向西方传播,对世界数学的发展产生了重要的影响。

 

 

 

3、对数计算尺  

17世纪初,计算工具在西方呈现了较快的发展。首先创立对数概念   闻名于世的英国数学家纳皮尔(J.Napier),在他所著的一本书里,介绍了一种新工具,  即后来被称为“纳皮尔算筹”的器具。

纳皮尔出身在苏格兰一个贵族家庭,13岁就进入圣安德鲁斯大学学习。作为一个天文爱好者, 他曾醉心于钻研占星术,自然而然进入到数学计算的领域。纳皮尔想过许多办法来简化天文数值计算, 终于在1614年提出了对数的概念, 成为与17世纪出现的解析几何、微积分一样重要的数学方法,纳皮尔也因此一举成名。

比起对数概念来,“纳皮尔算筹”只能算是一件“副产品”。 据说,纳皮尔的这种器具发明于1612年,它由一些长条状的木棍组成,木棍的表面雕刻着类似于乘法表的数字。纳皮尔用它来帮助进行乘法计算,他根据乘数和被乘数排列好木棍的顺序,仅需要做简单的加法就能计算出乘积,从而大大简化了数值计算过程。纳皮尔算筹与中国的算筹在原理上大相径庭,它已经显露出对数计算方法特征。

纳皮尔开创的对数概念影响了一代数学家,英国牧师奥却德(W.Oughtred)就是其中的佼佼者。虽然这位牧师后来爬到了主教的位置,仍然把全部业余时间花在数学上,甚至一天只睡二三个小时。他发明的乘法符号“×”一直沿用至今。

按现在的说法,奥却德的目光主要聚焦于基础数学领域,不大重视纯数值计算。但是,他对当时流行的计算工具却很熟悉,纳皮尔算筹和对数计算也是他精通的技能。1622年,奥却德突然萌发了一个念头:如果在两个圆盘的边缘标注对数刻度,然后让它们相对转动,就可以制成一种基于对数运算法则的仪器,用加减法来替代乘除。当奥却德完成了这个小小的发明时,他实际上创造了原始的对数计算尺。奥却德发明的圆盘逐渐演变成圆柱,在18~19世纪成为工程师们最喜爱的“计算机”。  左图是1880年圆柱型对数计算尺实物照片,其有效长度为200英寸,能精确到4位有效数字。

奥却德和他的学生后来把圆盘计算尺改进成两根相互滑动的直尺状。17世纪中期,有人又把它进一步改进为主尺座和在尺座内部移动的滑尺;18世纪末,那位发明蒸汽机的大发明家瓦特匠心独具,在尺座上添置了一个滑标,用来贮存计算的中间结果,使这种工具更方便更合用。 

在工程计算领域,奥却德发明的对数计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方、开方运算,甚至可以计算三角函数、指数函数和对数函数,它一直使用到袖珍电子计算器面世为止。即使在20世纪60年代,对数计算尺依然是理工科大学生必需掌握的基本功,是工程师身份的一种象征。然而,由于它属于“模拟式计算机”范畴,其精度不够很难用于财务、统计等方面,终于未能逃脱被电脑取代的厄运。

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