世界现代后期科技史- 第8部分

更谈不上进行研究推广了。　

　　　　　在相当长的一段历史时期中，故步自封，不重视应用和创造发明，不善　

于学习外部世界的先进科学技术成果，造成了中国近代以来科技方面的长期　

落后局面。　

　　　　　　（4）巴贝吉的差分机和分析机　

　　　　　帕斯卡、莱布尼兹发明的机械计算机经过后人的不断改进、完善，到19　

世纪初，终于由发明家的研究室进入了社会。1818年，托马斯设计的实用计　

算机于1821年建厂投产，首批生产15台。这是计算机发展史上的一件大事，　

不仅是因为计算机投入实际应用，还因为从此开创了计算机制造业。1874年　

开始，瑞典人奥涅尔花费了15年的时间，钻研、摸索，设计成一种外观等　

更接近现代计算机的新型计算机，19世纪末到20世纪20年代，奥涅尔机一　

直是主要的计算机器。　

　　　　　从帕斯卡机到奥涅尔机，虽然在机器结构、性能和实用性方面有了不少　

改进，但是，这些早期的机械计算机基本上都只能进行简单的四则运算，还　

没有能称得上“程序控制”的机构，机器的性能离它们的发明者们“使人类　

获得智力解放”的理想和希冀还相差甚远。机械计算机的真正进展是英国数　

学家巴贝吉（1792—1871）完成的。　

　　　　　1792年12月26日，巴贝吉出生于英格兰德温郡的托特纳斯。他的父亲　

是银行家，家境富足。他自幼喜爱数学，受到出色的教育。1810年，进入剑　

桥大学，不久便进入了近代数学的研究行列。这位数学奇才后来毕生醉心于　

自动计算机的研究，并提前一百多年为现代计算机描绘出了完整的蓝图。　

　　　　　1812年，巴贝吉和同样年轻的赫歇尔一起为天文学会进行的某些计算作　

核对工作时，发现了计算中的许多错误。在繁琐、冗长的核算过程中，巴贝　

吉不禁发出了慨叹：要是这些计算能由一台机器来完成就好了。赫歇尔应答　

说：这很可能。这次偶然的交谈之后，巴贝吉就一直为这种“妄想”所困扰，　

为实现“把人从难忍的单调和疲劳中解脱出来”的梦想而苦苦奋斗。　

　　　　　1822年，巴贝吉给皇家学会会长写了一封信，说明研制一架计算航海和　

天文用表的机器的好处，并且表示，他愿意为政府造一架这样的机器。他的　

建议得到了政府的支持，并答应于次年为他的事业提供经费。　

　　　　　当时已担任剑桥大学鲁卡斯讲座教授的巴贝吉在实现他的梦想的道路　

上，先迈出了一大步是，研究并制成了一台用于计算多项式的“差分机”的　


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样机。他从当时法国度量衡改革过程中，组织完成大量制表工作的实践中得　

到启示，利用多项式的数值差分规律，得出多项式数值表的简单计算格式，　

再由他设计的“差分机”按照这种格式和所提供的初始数据完成计算。这台　

新型的计算机包括三个寄存器，这些寄存器同时又是运算器，运算的精度达　

到6位小数。这台机器是他一生中制造成功的唯一的计算机。　

　　　　　差分机样机刚刚试制成功，巴贝吉又着手设计可用于编制天文和航海表　

的大型差分机。新机器将包括七个寄存器，还增加了自动印制计算和处理结　

果的部件，计算精度将达到小数点后20位。在研究和制造过程中，巴贝吉　

不断修改他的设计，充分显示了这位数学家的想象力和创造才能。但是，不　

断修改原设计，大大增加了经费的困难和设计先进性与工艺可行性之间的矛　

盾。1832年，研制计划不得不因此中途停顿。20年以后，瑞典人申茨在瑞　

典科学院资助下，对巴贝吉设计进行了改进，并用两年的时间，制造出了一　

台大型差分机。因此，巴贝吉没有制成大型差分机的主要原因看来不在于技　

术和制作方面。　

　　　　　大型差分机研制工作被迫停顿以后，巴贝吉却又向着一个更高的目标前　

进了，他卓越的想象和极为活跃的创造灵感激励他投入了一种新型的计算机　

——“分析机”的设计。这台机器的设计受到了杰夸德提花机的启示。1799　

年，法国的杰夸德（1752—1834）发明了一种新式提花机。这种织机能根据　

穿孔卡片纸上孔眼的排列，自动控制机器织出某种图案。当巴贝吉在巴黎展　

览会上看到这架提花机时，马上想到可以模仿杰夸德发明的这种卡片系统，　

用类似的方法对计算机下达命令，输入信息，实现程序控制，完成有关的计　

算。巴贝吉构思的分析机，包括运算、存储、控制、输入和输出等几个部分，　

其逻辑结构与现代电子计算机十分相似。其中，存储部分，巴贝吉称其为“堆　

栈”，即存储库的意思，内含100个寄存器。这部分的构造虽与差分机的相　

应部分类似，但已不再兼有运算器的功能。运算部分使用了先进的进位机构　

等，加快了运算速度。巴贝吉认为，他的分析机每分钟可完成60次加减法　

运算，完成两个50位数的乘法运算约需一分钟。机器的输入和控制部分则　

融入了杰夸德提花机的绝妙发明。　

　　　　　设计分析机的过程中，巴贝吉还提出了许多在现代电子计算机的设计者　

们看来也是非常重要的思想。他还试探了使用十进制以外的其他进位制的可　

能性，但在具有二值逻辑特点的电子器件还没有诞生的时代，他还没能发现　

二进制的优越之处。　

　　　　　为了研制新的计算机，他于1839年辞去剑桥大学鲁卡斯讲座教授的职　

位。这是第一流的学者才能得到的具有很高荣誉的职位，著名的物理学家牛　

顿　（1642—1727）曾是这个讲座的第二位任职教授。然而，巴贝吉毫不迟疑　

地舍弃了这份荣誉和地位，以便集中时间和精力从事他所钟爱的计算机研制　

事业。在制造差分机时，政府花费了约17，000英镑，他个人也耗费了13，　

000英镑。1842年，政府停止了财政支持，他为了继续分析机的研究，耗尽　


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了几乎全部的家财。　

　　　　　在巴贝吉探索、研究分析机的道路上，理解他的设计思想，看到他工作　

的价值并相信、支持他的人，寥寥无几，其中，有意大利军事工程师蒙纳布　

利、著名诗人拜伦的独生女拉甫雷斯伯爵夫人艾达·奥古斯塔。1840年，巴　

贝吉到意大利的都灵，在一系列讲座上介绍了他的分析机设计思想。蒙纳布　

利是为数不多的听众中的一员。他被演讲者深邃的创造思想所深深吸引。他　

详细记录了演讲的内容，整理成文章，并发表于1842年10月，介绍巴贝吉　

的计算机设计思想。这篇文章是巴贝吉发明过程的一个珍贵记录。　

　　　　　艾达童年时参观过差分机样机，并对它产生了极大的兴趣。蒙纳布利文　

章发表后，她决定将它译成英文。翻译过程对译文进行注释时，还增加了她　

个人的意见，并为分析机编制了具体函数的计算程序。她给分析机以高度的　

评价，认为“这一台机器不论在可能完成的计算范围、简便程序以及可靠性　

和精确度方面，或是在计算时完全不用人参与方面，都超过了以前的机器。”　

1843年8月，艾达发表了以《关于巴贝吉先生发明的分析机简讯》为题的译　

文和注释。艾达的作品可以说是程序设计的最早期著作。1978年，美国国防　

部选中的一种通用语言被命名为“Ada语言”，以纪念这位在计算机发展中　

作出了自己独特贡献的女性。　

　　　　　巴贝吉的儿子H。P。巴贝吉也是他父亲的一个忠诚支持者。他帮助父亲制　

造了某些机器部件。在父亲死后，又为分析机奋斗了多年。他坚信：“总有　

一天，类似的机器将会制成，它不仅在纯数学领域，还必将在其他知识领域　

中成为强有力的工具。”　

　　　　　1871年，巴贝吉在伦敦去世。他研制的大型差分机和分析机都没有取得　

成功，而分析机未取得成功的主要原因是，他的先进的设计思想超越了机械　

计算机时代所能提供的技术实现能力。巴贝吉留下的几十个不同的设计方　

案，一部分造好的部件和画着几万个零件的数百张图纸以及大量的工作笔　

记，被收藏于博物馆中，很好地保存了下来。70年后，他的出色工作激发了　

艾肯等年轻发明家的创作灵感，他儿子的预言和他自己的梦想终于成为现　

实。　

　　　　　　（5）物理学家的探索　

　　　　　作为数学家的巴贝吉，所研究的计算机都是以数字的形式进行基本计算　

的。分析机的尝试失败以后，由于技术上的困难没有突破，大型的数字计算　

机的研制大约停滞了70年。在这一段时间里，一批物理学家从另一角度对　

计算工具的发展进行了探索。　

　　　　　物理学家往往是提出一个物理理论或一个物理模型以后，再寻找相应的　

数学关系，利用优美的数学语言对物理规律进行简捷的描述。有的物理学家　

则从逆向思考，设想为一个数学方程设计一种对应的物理过程，以便利用物　

理的方法完成方程所要进行的数学运算。这种模拟某一物理过程进行数学计　

算的机器被称为模拟计算机。　


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　　　　　1855年，麦克斯韦（1831—1879）发明的积分仪就是一种出色的模拟机，　

而且对后来的模拟机发展有较大的影响。麦克斯韦是英国杰出的物理学家，　

同时也是个数学家。他运用数学分析的方法，类比流体力学方程，建立了一　

组偏微分方程，概括了从库仑　（1736—1806）、高斯（1777—1855）、奥斯　

特　（1777—1851）、安培（1775—1836）到法拉第（1791—1867）的工作，　

把电磁运动的一系列基本规律统一在由四个微分方程所描绘的经典电磁理　

论中，当然，麦克斯韦的电磁理论也可以用一套积分方程来描述。积分是一　

种复杂的数学运算，麦克斯韦一直在寻求一种可以完成积分计算的机器，即　

给机器输入需要进行积分运算的函数，输出的是积分的结果。他先将积分变　

为线性方程求面积的问题，然后巧妙地把面积的计算转变为长度的测量，并　

通过两个互相垂直的圆盘的旋转与滑动来实现这一模拟过程。麦克斯韦设计　

的积分仪后被改进为著名的圆盘—圆球—圆轴式积分仪。　

　　　　　傅立叶分析是法国数学家傅立叶（1768—1830）为研究自然界普遍存在　

的周期现象所提供的一种极为有力的数学工具。1876年，英国物理学家W．汤　

姆逊之为“潮汐调和分析仪”，用以计算潮汐涨落的基本要素。这台仪器能　

在一至两个小时内完成熟练的计算人员20个小时才能完成的工作。美国著　

名的实验物理学家麦克尔逊（1852—1931）由于在光学研究中需要频繁使用　

傅立叶分析，与工程师斯特雷顿合作，于1898年研制了一台处理80项傅立　

叶系数的分析仪。科学实践的需要推动科学家们不断探索研究新的计算工　

具。　

　　　　　美国工程师布什（1890—）在电机工程中经常遇到解复杂的二阶常微分　

方程的问题。为此，他非常希望能研制出可以解微分方程的机器。1927年起，　

他和哈森　（H。Hazen）合作进行研制并于1930年制成第一台微分分析仪。这　

种用于解算微分方程的装置是另一类重要的模拟机。布什分析仪利用解常微　

分方程的逐次迭代法，使用了多个积分仪，其中一个积分仪的输出为另一个　

积分仪的输入，并利用某些齿轮的旋转角度表示方程的结果，精确程度受到　

角度测量精度的限制。1935年，布什又领导麻省理工学院的研究小组设计了　

第二台微分分析机。这台分析机采用了电气元件，精密程度大大提高。　

　　　　　模拟机的成功曾一度使人产生了可以用模拟机解决一般科学计算问题　

的期望，但研制更高级的模拟机却遇到了极大的困难。虽然从理论上说，任　

何一种数学计算应该都能寻找到相应的模拟机制，但技术实现过程往往困难　

重重。早在1876年，开耳芬勋爵即W．汤姆逊，就提出了微分分析仪的基本　

原理，但因为解决不了一个积分仪的输出转换成另一个积分仪输入的技术问　

题，而未能研制成这种计算机。直到1927年，工程师纽曼发明了一种力矩　

放大器，才被布什用来攻克了制造微分分析仪的难关，这种计算机的诞生整　

整推迟了半个世纪。后来，当人们试图推广微分分析仪，以解算偏微分方程　

时，更加明显地感到了模拟机的不足。计算机后来的发展历史证明，和模拟　

计算机相比，数字计算机具有更强大的生命力。　


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　　　　　　（6）继电器和布尔代数　

　　　　　前面介绍的各种计算机，无论是数字式的还是模拟式的，无一不是依靠　

齿轮和连杆。由于机械运动速度的限制，计算机的运转速度都不可能很快。　

要改革计算机，必须应用新的元件，逐步抛开齿轮和连杆。电的利用为新型　

计算机准备了新颖的元件——继电器，计算机由机械时代进入了机电时代。　

　　　　　1820年，丹麦物理学家奥斯特在上课进行演示时偶然发现，通电导线周　

围的小磁针会出人意料地发生了偏转。奥斯特第一次揭示出电流周围存在着　

磁场的物理现象，奥斯特的“电生磁”的发现揭开了电磁学研究和应用的新　

篇章。　

　　　　　1823年，英国电学家斯特金第一次用裸铜线在一根U型铁棒上绕了18　

圈，制成了世界上第一个电磁铁。当裸铜线圈通电时，由线圈产生的磁场密　

集在铁棒中，铁棒变成了强有力的磁铁，吸起了比它自己重20倍的铁块；　

一旦切断电流，铁棒失去了磁铁的作用，又变成了一