機電計量機的發(fā)明

時間：2024-01-22 03:40:01 | 來源：信息時代

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機電計量機的發(fā)明：
我們今天早已步入電的世界，電燈、電話、電視? 在人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)司空見慣了。我們每天都要和電打交道。沒有電就沒有現(xiàn)代文明，也就談不上今天的電子計算機。
正像蒸汽機發(fā)明以后，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命那樣，各種電機（發(fā)電機和電動機）的發(fā)明以及電力的廣泛應用，標志著第二次工業(yè)革命的出現(xiàn)。這也使人們的視野比過去開闊多了。對于研究計算機的人來說，很自然的一件事就是：不能把目光僅僅停留在老式的機械式計算機上，應該考慮可否利用電器來改進原有的機械式計算機的裝置。
1822 年，法國的蓋·呂薩克和阿拉戈利用電流的磁效應，把通電導線繞在軟鐵上，使一塊普通的軟鐵變成了磁鐵。幾年后，美國的亨利在此基礎(chǔ)上發(fā)明了磁性強大的電磁鐵，利用電磁鐵的原理，人們制成了繼電器。繼電器是在機電式計算機上第一個派上用場的電器部件。
同學們中一定有人玩過遙控玩具，或者使用過遙控電視機的遙控裝置吧！大多數(shù)遙控裝置都離不開繼電器。繼電器是一種開關(guān)，不過它的開啟與閉合不是靠人手去撥弄，而是靠微弱的電流。這種弱電流通過一個電磁鐵的線圈，使電磁鐵磁化并將一個銜鐵吸下。銜鐵連著一個開關(guān)，就可使得另一個大電流接通或斷開。
有了繼電器，一個微弱的電流就可以控制一個大電流的開斷。而微弱電流本身的開斷不一定需要我們用手去撥動，它可以通過其他各種手段達到。比如無線電信號、導電的水、能導電的人體等，因此，繼電器在各種控制電路中有著廣泛的應用。
計算機的研制者們欣喜地發(fā)現(xiàn)，繼電器的應用還有潛力可挖，它可以用來計數(shù)。它有開和關(guān)兩種狀態(tài)，就可以用來表示二進制中“0”和“1”兩個數(shù)。用多個繼電器就可以記錄多位的二進制數(shù)。正是因為繼電器具備這樣的特性，所以，后來在機電式計算機中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
隨著電與人類關(guān)系的逐步密切，許多人開始考慮將電學成果應用于計算技術(shù)。其中首先取得實質(zhì)性進展的是霍利瑞斯制表機。提到它的設計人霍利瑞斯，人們或許會感到意外，因為他既不是工程師，也不是科學家，而是一名普普通通的統(tǒng)計人員。
霍利瑞斯是德國移民的后裔，畢業(yè)于哥倫比亞大學附屬?？茖W校，他曾在美國人口調(diào)查局工作過，對統(tǒng)計工作的特點和艱巨性非常了解。
當時的美國每隔幾年就要作一次人口調(diào)查，調(diào)查的項目十分詳細，光是按年齡的劃分就有 10 類：5 歲以下、6～10 歲、11～20 歲、21～30 歲、? 直到 80 歲以上年齡段。大家知道，美國人口主要是由移民組成的。18 世紀
末、19 世紀初，美國的人口還不多，廣大的西部還都是人煙稀少的森林、草原和沼澤地，這個時期作人口統(tǒng)計當然沒有太大的困難。隨著人口的迅速繁衍和大規(guī)模移民潮的涌入，美國人口劇增，這就使得人口調(diào)查和統(tǒng)計工作的難度一次次增加。
大量的人口資料堆積如山，使統(tǒng)計工作者望而生畏，以致 1880 年的人口調(diào)查統(tǒng)計任務一直拖到 1887 年也沒有結(jié)果?；衾鹚怪票頇C就是在這種背景下應運而生的。
一天，霍利瑞斯和一位在人口調(diào)查局工作的官員比靈斯聊天，幾句話就扯到了令人厭煩而又無法回避的人口調(diào)查問題上。比靈斯嘆了一陣苦經(jīng)之后，忽然提到一個他已考慮了多日的設想，那就是使用穿孔卡片幫助統(tǒng)計。讓每個接受調(diào)查的人都使用相同規(guī)格的硬紙卡片，按照不同的個人情況在不同的位置上穿孔，然后使用一種特殊的機器把這些信息讀出并加以統(tǒng)計，至于機器如何設計他就不得而知了。
比靈斯的設想給霍利瑞斯以極大的啟發(fā)，激起了霍利瑞斯的創(chuàng)造靈感，使他仿佛看到了解決問題的曙光。他過去聽說過提花編織機上穿孔卡的故事，那件事發(fā)生在 1728 年，一位法國工程師發(fā)明了一種自動提花織布機，其中設計了一連串長長的穿了孔的卡片，讓卡片轉(zhuǎn)動，使得那些與卡片上的洞眼正好對著的織針順利通過，而不相對的織針通不過。這樣，紗線就織出了規(guī)定好的花紋。當時已是 19 世紀末，時代不同了，要求也不一樣?；衾鹚苟茫瑑H用機械的方法顯然會黔驢技窮，只有配上最新的電工技術(shù)才會使問題得到解決。
那時候、電工技術(shù)在美同是一樣很時髦的于藝，霍利瑞斯雖然沒有專門學過電學，但對電工技術(shù)還是很內(nèi)行的，因為他常在業(yè)余時間擺弄各種電器。在同事、家人、鄰居的心目中，他可是個能干而熱心的人。最后，他將弱電流技術(shù)和過去的穿扎卡片技術(shù)融為一體，設計制造了可用于人口調(diào)查的制表機。
霍利瑞斯制表機主要由 5 個部分構(gòu)成：1.接受壓力機；2.繼電器；3.計數(shù)器；4.分類盒；5.電池。制表機上閱讀穿孔卡片的設計別具匠心，現(xiàn)在我們就以一個孔的位置為例介紹一下。先將卡片平放在相應位置上，孔的位置上方是一根帶彈簧的金屬棒，下方是一個水銀杯。工作時，金屬棒被輕輕地壓下來，如果該位置上沒有孔，金屬棒被卡片紙擋住不下來，不能出現(xiàn)后續(xù)動作。反之，由于該位置事先已穿好了孔，金屬棒就“長驅(qū)直入”地插入下方水銀杯中。
水銀和金屬棒都是導體，它們接觸以后，就好比接通了開關(guān)，形成了回路，產(chǎn)生電流。又由于所加的電壓低，形成的電流很弱，不會產(chǎn)生損壞制表機的電火花，也不會對人體造成傷害。另一方面，電流雖弱，但可以使繼電器吸合，產(chǎn)生大電流。大電流使相應的計數(shù)器加 1，這樣就完成了此項目的一個人的統(tǒng)計。這種設計實在太巧妙了！金屬棒有很多根，它的數(shù)目由統(tǒng)計項目和分類的多少來決定。
其實在今天，我們?nèi)匀挥胁簧俦砀裥枰顚?，像中學生升學填表，大學生畢業(yè)填表，甚至有時在考試中也有用填表作為答案的。不過，今天不用再穿孔，而只要你在相應位置上用筆涂黑就行。讀表的裝置也比那時高明得多了，用的是光電閱讀器，它可算是穿孔卡片方法的“直系后裔”了。
美國的人口統(tǒng)計機關(guān)當時曾征集過能加快統(tǒng)計速度的發(fā)明，除霍利瑞斯
以外，還有兩名應征者。他們采用了顏色卡片，但分類和計算仍依靠手工，與霍利瑞斯的發(fā)明相比真是相形見拙，霍利瑞斯成了競爭中的唯一勝利者。
有了制表機的武裝，人口調(diào)查的難題自然迎刃而解。1890 年，共作了 6300 萬人的調(diào)查登記，資料匯總到首都華盛頓以后，一個月就完成了統(tǒng)計制表工作。而 1880 年，僅作了 5000 萬人的調(diào)查登記，統(tǒng)計制表工作化了 7 年半的時間，還多化了幾百萬美元。
人們對制表機的成功，大加贊賞，許多大企業(yè)的會計業(yè)務、產(chǎn)品統(tǒng)計，都競相仿效，后來還風行于世界各地，奧地利、加拿大、挪威、俄國等都改用制表機進行人口調(diào)查?；衾鹚怪票頇C，尤其是它的讀寫卡片裝置的巧妙設計，對以后的機電式計算機和電子計算機的研制都有極大的影響。
霍利瑞斯研制成功制表機以后，穿孔式計數(shù)技術(shù)得到了發(fā)展；繼電器得到了更廣泛的應用。人們還發(fā)現(xiàn)，19 世紀的英國數(shù)學家布爾創(chuàng)立的一套被稱為“布爾代數(shù)”的數(shù)學理論，特別適合用于邏輯電路的設計，因此，邏輯電路設計也取得了很大的成績。就這樣，在本世紀三四十年代，一批與當年巴貝奇方案相似的新型計算機——機電式計算機方案出現(xiàn)了。
中國有句成語，叫做“英雄所見略同”。在德國和美國，幾乎同時有人在研制機電式計算機，原理、結(jié)構(gòu)、性能都十分相似。德國的朱斯從 1934 年開始，投身于機電式計算機的研制，當時他 24 歲，正在學習土木工程。但是，他的主要精力沒有放在土木工程這門“主課”上，反而對計算機研制工作于得津津有味，難免有人認為他“不務正業(yè)”，他的“愛好”受到別人奚落。他讀過巴貝奇的傳記，雖然巴貝奇的結(jié)局是悲劇性的，不過他覺得巴貝奇很有道理。如果巴貝奇活到現(xiàn)在，就有成功的可能。有人不理解他，覺得他為古人擔憂有些好笑，可是朱斯卻認真得很，決心依靠自己個人的財力開展研究。
由于資金短缺，有時候動手拆除家中一些器具充當計算機部件。他試制的第一臺計算機 Z—1 是純機械結(jié)構(gòu)的計算機，費用不算太大，花了九牛二虎之力，總算在 1938 年完成。接下去他要大干一番，打算采用繼電器技術(shù)制造計算機 Z—2，其實，這就是一臺機電式計算機。
剛動手干不久，戰(zhàn)爭販子希特勒就開始了進攻波蘭的閃電戰(zhàn)，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。納粹德國開始大征兵，年輕的朱斯“榜上有名”，計算機 Z —2 的研制完全“泡湯”了。事有湊巧，一個偶然出現(xiàn)的機會挽救了他。
1939 年，他的朋友，也是后來的合作者許萊爾向納粹政府提交了一個備忘錄，竭力鼓吹朱斯關(guān)于新式計算機研制工作的重大意義。由于計算機將來在軍事上會很有用，敏感的當局不僅豁免了朱斯的軍役，而且還慷慨地撥出了?？钪С种焖沟难芯?，這偶然的巧事，使得朱斯“因禍得福”
經(jīng)過兩年的艱苦努力，他終于在 1941 年研制成功全繼電器的，機電式的通用自動計算機 Z—3。這臺計算機可以說是當時世界上最先進的新型計算機了。它能夠執(zhí)行 8 種指令，字長 22 位二進制，計算加法為 0.3 秒、乘法為 4～ 5 秒。整機用了 2600 個繼電器，這是世界上第一臺通用程序控制計算機。1945年初，朱斯對 Z—3 計算機作了改進，制成了可靠性很高的機電式計算機 Z— 4。
就在這一年，前蘇聯(lián)的紅軍和西方盟國的部隊已經(jīng)攻到了德國本土，逼近了柏林，希特勒點燃起的戰(zhàn)火燒到了他自己家門口，全世界愛好和平的人民都為之振奮。燃燒的戰(zhàn)火對于發(fā)明家朱斯，真是太不幸了，他的實驗室，
他的 Z—3 計算機都遭到了盟軍的轟炸，在霹靂聲中灰飛煙滅。唯一值得慶幸的是，Z—4 計算機被藏在一座農(nóng)舍的地窖里，才免遭此劫。
德國戰(zhàn)敗以后，朱斯流亡到中立國瑞士的一個偏僻的鄉(xiāng)村，即使在那里他也無心欣賞美麗的田園風光，計算機研究仍然是他的第二生命。雖然沒有了實驗室，沒有了計算機，可是還有大腦，他還能研究計算機軟件，他在那里提出了“程序演算”理論，即今天所說的計算機程序設計。這對軟件的發(fā)展影響很大。
可惜的是，朱斯在第二次世界大戰(zhàn)期間完成的發(fā)明很少被德國以外的人所了解，僅有一臺幸存的 Z—4 計算機成了他的偉業(yè)的見證。這臺計算機的牢固性和可靠性令人贊嘆，1950 年到 1954 年用于瑞士技術(shù)學院，1955 年到 1958 年用于法國國防部，直到 1959 年才被送進歷史博物館。
與朱斯同時，美國的艾肯（1900～1973）也在研制機電式計算機。艾肯 1900 年生于新澤西州的霍博肯，青少年時代學習勤奮刻苦，1923 年他以優(yōu)異成績畢業(yè)于威斯康星大學，1939 年在哈佛大學獲得博士學位。
在攻讀博士學位期間，經(jīng)常遇到大量的冗長乏味的計算。他設想造一臺計算機，幫助解那些比較復雜的代數(shù)方程。1937 年，艾肯正式提出一份題為《自動計算機建議》的備忘錄，在原理、結(jié)構(gòu)、性能方面，與巴貝奇、朱斯的設計不謀而合。當時美德兩國正處于敵對狀態(tài)，所以艾肯與朱斯互不了解對方的工作。艾肯讀過巴貝奇的自傳，并為巴貝奇的創(chuàng)造精神鼓舞，但他沒有讀過艾達·拜倫對于巴貝奇分析機的說明，因此在機電式計算機的設計中，他表現(xiàn)了高度的獨創(chuàng)精神。
事有湊巧，當時國際商業(yè)機器公司（即著名的 IBM 公司）總經(jīng)理湯姆斯·沃森財大氣粗，并且很有遠見，看到艾肯的“建議”以后，決定給予支持。從 1939 年開始，艾肯得到了 IBM 公司的資助，哈佛大學也趁機成立了計算研究所?？磥戆系木秤霰人瑫r代的朱斯好多了。艾肯工作起來極其認真。他往往是天蒙蒙亮到研究所，晚上八九點鐘才離開。他講起話來，發(fā)音極為清晰，表達思想十分精確。艾肯認為造出新型計算機對科學和社會是一種奉獻，這種理想一直鼓舞著他奮不顧身地工作。
經(jīng)過 4 年的艱苦努力，艾肯和他的同事們共同制成了這臺機電式計算機。起先他們將它叫做自動程序控制計算機，后來大家給它起了個綽號，叫做“馬克—1”。它是個龐然大物，約有 15.5 米長、2.5 米高，幾乎塞滿了計算機研究所的一間大屋子。它用了 3000 多個繼電器，運行時聲音很響，人們很難在它身旁說話。1944 年 8 月，馬克—1 計算機正式完成，接著交給了訂戶哈佛大學，一直使用了 15 年之久。由于它誕生在遠離戰(zhàn)場的美國，所以其影響要比朱斯的 Z—3 計算機大得多。
馬克—1 計算機主要用于科學計算。1945～1947 年間，艾肯又負責研制成功了經(jīng)過改進的馬克—2 計算機。在計算機的發(fā)展史上，這兩臺機電式計算機有著重要的地位。1956 年，艾肯還負責制成過馬克—4 計算機，那是一臺在美國空軍支持下研制成功的電子計算機。
艾肯是個意志非常堅強最會珍惜時間的人，他每天總要晚上八九點鐘才離開研究所，有時第二天凌晨 4 點就又回所了。1973 年 3 月 14 日，艾肯在美國的圣路易斯病逝。
機電式計算機是計算機發(fā)展史上短暫的一頁。它是計算機發(fā)展道路上的一次必要的科學嘗試。由于它工作中仍有機械動作，因此它的運算速度很難
有更大的提高。但是，它為早期的電子計算機設計制造積累了寶貴的經(jīng)驗，對于現(xiàn)代高速電子計算機的發(fā)展起了開路作用。只有電子計算機，才真正是人類智力解放的有力工具。要介紹電子計算機的發(fā)明過程，必須對電子技術(shù)的發(fā)展有所了解，讓我們暫時把時間的指針撥回到 19 世紀末去吧！