第一章 科學之翼

我們永遠不可能知道，第一個仰望星空的人類成員在抬起頭顱的那一刻，那比地球歷史久遠得多的銀河在他內心激起了怎樣的漣漪。

好奇心是人類的本能，盡管在被傲慢與偏見占據的歲月里，我們曾為這一點付出巨大代價。第一個證實太陽是宇宙中心的哥白尼生前始終沒有機會出版自己的作品，他的學生布魯諾被燒死在羅馬的鮮花廣場上，被譽為“現代科學家之第一人”的伽利略大半生在教會監視下度過，質疑“上帝造人”的達爾文在每個講臺上都被當作人類公敵而謾罵。

這一切，無法阻擋科學浩浩蕩蕩的前行。對于從宇宙到微觀世界、從遠古歷史到未來社會的一切，我們像先驅者們一樣充滿好奇，并努力創造條件滿足好奇。于是，在漫長的科技發展進程中，實驗和理論成為探索世界的兩種基本方式。隨著科學問題越來越復雜，電子計算機的誕生又為人類提供了科學發現的第三種手段——計算。

作為珠算這一古老計算工具的發明地，中國見證了人類不斷加速計算的歷程。發展速度超級快、存儲容量超級大、耗電超級多的超級計算機，無疑是眾多計算工具中的“珠穆朗瑪峰”。建設創新型國家的巨大驅動下，中國這個世界第二大經濟體正在迎來大力發展科學計算的新時代。

在這樣一個以數字化為基本特征的新時代，哪個國家擁有最強的科學計算和數據處理能力，已經變得比工業時代年產多少噸鋼更為重要。

1．那些古老的計算工具

幾根木頭一把木珠，默念口訣噼噼啪啪上下撥動，就撥出了答案。這一將計算過程形象化的工具叫作算盤，中國人再熟悉不過。作家謝爾頓（Sidney Sheldon, 1917—2007）在小說《假如明天來臨》里講有人兜售袖珍計算機，聲稱“價格低廉、絕無故障、節約能源、10年中無須保養”，買家打開包裝盒一看，原來是一把來自中國的算盤。

2013年12月4日，聯合國教科文組織保護非物質文化遺產政府間委員會第八次會議在阿塞拜疆巴庫通過決議，正式將中國珠算項目列入教科文組織人類非物質文化遺產名錄。聯合國教科文組織介紹說，珠算伴隨中國人經歷了1800多年的漫長歲月，它以簡便的計算工具和獨特的數理內涵，被譽為“世界上最古老的計算機”。

發明珠算的中國，見證了人類不斷尋求更快、更方便計算工具的歷程。

中國最早的記數方法是結繩，通過在一根繩子上打結來表示事物的多少。稍晚一些，古代先民發明了契刻記數，即在骨片、木片或竹片上用刀刻上口子，以此代表數目。現代社會仍在使用的畫“正”字方法簡單、直觀，與古老的記數方式異曲同工。

結繩記數和契刻記數大約使用了幾千年，到新石器時代晚期，才逐漸被數字符號和文字記數所代替。最晚到商朝時，我國已經有了比較完備的文字系統，同時也有了比較完備的文字記數系統。在商代的甲骨文中，出現了一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、萬這13個記數單字。這13個單字的發明，讓記錄十萬以內任何自然數成為可能，也推動了人類的數字認知從“記數”到“計算”的跨越。

大約在春秋晚期、戰國初年，“算籌”誕生。根據史書記載和考古發現，古代的算籌是一根根用竹子、木頭、獸骨、象牙、金屬等材料制成的小棍子，長短和粗細一致如中國人吃飯離不開的筷子，二百七十幾枚為一束放入布袋，系在腰間隨身攜帶——由此可見，古人的記數和計算需求就像我們現代人的移動通信一樣，是便攜式的、隨時隨地的。

在算盤發明、推廣之前，算籌一直是中國最重要的計算工具。古代科學家祖沖之（429—500年）正是在算籌的輔助下不可思議地最先算出了圓周率小數點后第6位。隨著手工業、商業的發展，數學計算日益復雜，撥珠的速度遠比擺弄算籌棍子更方便、快捷，于是有了珠算。關于珠算最早的文字記載來自漢末三國時期徐岳（? —220年）撰《數術記遺》:“珠算，控帶四時，經緯三才。”取代了算籌的算盤15世紀起普遍應用，成為阿拉伯數字20世紀初在中國推廣使用之前最常見的計算工具。

算盤從中國流傳至朝鮮、日本、越南等亞洲國家，后來又被商人帶到西方。很多文明古國都曾出現過類似的計算工具，如古羅馬算盤、日本算盤和俄羅斯算盤。算盤幫助中國古代數學家取得了不少重大的科技成果，對中國文化的影響同樣是巨大的，以至于我們今天形容心思繁多者時仍然會說，他在打什么小算盤？

世界各國還發明過各種各樣的計算工具，例如古希臘人的“算板”，印度人的“沙盤”，英國人的“刻齒本片”等。它們的原理大致相同，都是以某種物件來代表數字，并通過對物件的機械操作來進行運算、得出結果。這一原理包含了把抽象事物形象化的思維過程和解決方案。

15世紀以后，隨著天文、航海的發展，計算工作日趨繁重，迫切需要改進工具。很快，“格子算法”在中亞細亞及歐洲流行起來。這種把格子和數字刻在竹片或木片上、進而根據需要進行組合的計算方法，能夠把乘法運算轉為加法、把除法運算轉為減法，甚至可以開平方根。

在約翰·納皮爾（John Napier, 1550—1617）對數概念發表后不久的17世紀二三十年代，牛津的埃德蒙·甘特（Edmund Gunter, 1581—1626）發明了一種使用單個對數刻度的計算工具，配合以其他測量工具，可以用來做乘除法。1630年，劍橋的威廉·奧特雷德（William Oughtred, 1575—1660）發明了圓算尺，可以視為現代計算尺的雛形。

戰爭放大了計算需求。第二次世界大戰中，執行兵力投送、火力打擊等任務的人們拿計算尺快速計算武器射程、燃料使用或飛行器高度。正如顯微鏡代表了醫學行業一樣，計算尺成為工程師身份的象征。20世紀五六十年代的專業人士常把這種工具穿在皮帶上，跟手機流行之初把“大哥大”別在腰間的現代人一樣，既方便使用，也是一種顯擺。

機械式計算機幾乎與計算尺同時出現。天才科學家帕斯卡（Blaise Pasca, 1623—1662）在1642年成功研制第一臺能計算加減法的計算機，并把機器復制了50臺，其中的大多數成了富人家客廳里新奇的擺設。帕斯卡的機器是人類歷史上第一臺真正的計算機，其中保存至今的幾臺珍藏在法國巴黎工藝學校、英國倫敦科學博物館等地。

德國數學家戈特弗里德·萊布尼茨（G.W.Leibniz, 1646—1716）在1671年發明了一種能進行四則運算的手搖計算機，后用于人口計算。這位博學多才的科學家在當時已經認識到，人口紅利是一個國家最重要的資源之一，而他“可以用機械代替人進行繁瑣重復的計算工作”思想至今仍在激勵著一代代后來者們不斷探索研制新的計算機。

帕斯卡與萊布尼茨的發明并不是現代意義上的計算機，但它們點燃了人類計算機史上的第一支火炬。這一時期，計算工具的運行方式從手工擺弄進入機械操作，全世界出現了多種多樣的手搖計算機，并在17世紀末傳入中國。

實現“機械化”后，人們開始思考計算工具的“自動化”。1822年，英國的查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage, 1792—1871）制成了一部能執行計算程序的差分機，并于1834年設計出完全程序控制的分析機。受當時的機械制造技術限制，這臺分析機僅僅停留在圖紙上，但它已經包含了現代計算機的基本思想。為計算機研制窮盡畢生財力、精力的巴貝奇離開人世后，有人把他的大腦用鹽漬方法保存起來，希望經過若干年后，有更先進的技術能夠研究、實現他大腦里的構想。

19世紀初期，電力從一種神奇的自然力量逐漸走向人類應用。盡管早在公元前600年左右的古希臘，人們已經從吸附灰塵的琥珀上發現了“電”，直到1800年，意大利物理學家伏特（A. Alessandro Volta, 1745—1827）才發明了世界上第一塊電池，1821年英國物理學家法拉第（Michael Faraday, 1791—1867）發明了世界上第一臺電動機。

在電力技術的推動下，電動式計算機逐漸取代人工動力計算機。1880年，美國的霍勒里斯（H.Hollerith, 1860—1929）與比林斯（S.Billings, 1838—1913）發明了電動穿孔卡片式計算機，這一機器在1890年的美國第12次人口普查中使用，實現了人類歷史上第一次大規模數據處理。后來他們開創了第一家制造電子計算機的公司——國際商業機器公司即IBM。

進入20世紀，電子技術與數學的蓬勃發展為計算機的改進奠定了物質和概念基礎，采用電子管和二進制研制電子計算機成為熱門話題。

1941年，德國的楚澤（Konrad Zu Se, 1910—1995）采用繼電器制成第一部通用程序控制計算機，實現了100多年前巴貝奇的理想——電腦史學家認為，如果楚澤不是生活在法西斯統治下的德國，他可能早就研制出了電子計算機，從而改寫世界計算機的歷史。3年后，美國的艾肯（Howard Hathaway Aiken, 1900—1973）也用同一方法制成了一臺程序控制的自動數字計算機。在第二次世界大戰迫切的軍事需求推動下，美國賓夕法尼亞大學于1946年制造出ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer）電子計算機。

這臺龐大的機器占地面積170平方米，重約30噸，耗電量150千瓦，造價高達48萬美元。它每秒能執行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍，它還能進行平方和立方運算，計算正弦和余弦等三角函數的值及其他一些更復雜的運算。

與今日超級計算機動輒每秒億億次的計算速度相比，這個龐然大物的能力似乎微不足道，但在當時已經是了不起的成就。ENIAC問世后立即投入美國軍事應用，原來需要20多分鐘時間才能計算出來的一條彈道只要30秒，極大緩解了計算速度大大落后于實際要求的矛盾。更重要的是，著名科學家馮·諾依曼（V. N Weumann, 1903—1957）帶著原子彈研制過程中的計算問題加入了這研制小組，因此可以說，ENIAC為世界上第一顆原子彈的誕生和戰爭的迅速結束也立下了功勞。

然而，ENIAC被稱為世界上第一臺電子計算機并不準確。早在它問世前兩年，為破譯德國“洛倫茨（Lorenz）”加密機密碼而生的“科洛薩斯（Colossus）”電子計算機已經在英國投入情報工作。

這臺計算機部署在英國軍情六處密碼破譯中心，位于劍橋和牛津兩大學府之間的布萊奇利莊園（Bletchley Park）。久負盛名的“恩尼格瑪”（ENIGMA）密碼被破譯之后，采用更復雜密碼算法、希特勒認為不可戰勝的“洛倫茨”成為盟軍在情報戰線上的新對手。

使用了1500個電子管、質量約1噸的“科洛薩斯”，可謂雪中送炭。破譯“洛倫茨”，其他手段需要6～8星期，而使用“科洛薩斯”計算機僅需6～8小時。1944年6月，在諾曼底登陸前幾天，它的升級版破譯電文顯示：希特勒認為盟軍的登陸地點為加萊，盟軍針對諾曼底地區的軍事準備行動只是佯攻，因此德軍不必增加諾曼底地區的兵力部署。

戰爭至此，勝負已定。立下赫赫戰功的“科洛薩斯”在戰爭結束后拆卸銷毀。作為最高軍事機密，它所完成的歷史使命直到20世紀70年代才為人們所知。被業內人士譽為現代計算機發源地的布萊切利莊園門前立了一塊石碑，上面刻著丘吉爾向情報人員致敬的那句名言：“在人類歷史上，從未有如此多的人對如此少的人虧欠得如此多。（Never in the field of human conflict was so much owed by so many to so few.）”

成也戰爭，誤也戰爭。軍事需求催生了電子計算機，但首先研制出計算機的英國人僅僅把它作為戰爭工具來使用，沒能抓住大力推動計算機技術發展的契機，而是把歷史機遇拱手相讓給了美國人。

對于后者，一個屬于ENIAC的時代很快到來了。不過，它的歷史還必須追溯到5年前的ABC計算機。。

20世紀30年代中期，美國艾奧瓦州立大學數學系和物理系教授約翰·文森特·阿塔納索夫（John Vincent Atanasoff, 1903—1995）決定研制電子計算機。他的初衷很簡單——教學上經常不得不進行大量復雜枯燥的計算，而當時最快的機械計算機還是太慢且誤差偏大，他需要更好的計算工具。

阿塔那索夫的設計包含三個關鍵性設想：使用二進制代替十進制表示數據，以保證精度；使用電子器件取代機械部件進行計算操作，以保證計算速度；機器采用把計算功能和儲存功能相分離的結構，這就是著名的“計算機三原則”。

這些設想漸漸成為現實。在工程師克利福特·貝瑞（Clifford E. Berry，1818—1963）的協助下，機器于1941年基本研制成功，根據他們兩人的名字命名為阿塔納索夫-貝瑞計算機，簡稱ABC計算機。這臺機器重約320千克，像一張桌子那么大，有300個電子管，能做加法和減法運算，以鼓狀電容器來存儲數字。它的運算速度比原來的機械計算器快得多，而且能做線性代數方程的計算。

但是，由于還有一些小問題沒能解決，ABC計算機并未立即推廣使用。比方說，如果打孔機發生故障，機器就會失控從而得出錯誤答案。艾奧瓦大學地理位置比較偏僻，這一發明也沒有引起科學界的關注。由于珍珠港事件的爆發，包括兩位發明者在內的許多科學家投入戰爭科研工作，ABC研制工作不得不束之高閣，連他們離開時留在地下室的兩臺樣本機器后來也因為戰時物品短缺而被拆除。

1940年，阿塔納索夫在參加美國科學進步協會年會時，向賓夕法尼亞大學物理教授莫齊利（John Mauchly, 1907—1980）講述了自己的思想，并把自己有關電子計算機的筆記本交給了后者。基于阿塔那索夫的方案，莫齊利與研究生埃克特（J.Presper Eckert, 1919—1995）開始合作研制電子計算機。當時的美國軍方急需一種高速計算器來解決彈道的復雜計算問題，馬上撥款大力支持。

ENIAC生而逢時。1946年2月10日，美國陸軍軍械部和賓夕法尼亞大學聯合向全世界宣布了ENIAC的誕生。多年來，它被認為是世界上第一臺電子計算機。

阿塔納索夫似乎對此并不在意。直到一場官司聽取他的證詞，他才解釋了ABC計算機的研制過程。1973年10月19日，美國明尼蘇達地區法院判決莫齊利和埃克特的專利無效——“莫齊利和埃克特沒有發明第一臺電子計算機，只是利用了阿塔納索夫發明中的構思”。

盡管如此，ENIAC的貢獻仍然是劃時代的。作為世界上第一臺投入實際應用的電子計算機，它宣告了電腦時代的到來，開啟了科學計算的大門。