機(jī)械計(jì)算機(jī)（上）

張彩霞

世界多彩斑斕，信息瞬息萬變，計(jì)算機(jī)已經(jīng)融入我們生活的方方面面。但是，你是否了解計(jì)算機(jī)發(fā)明的最初形態(tài)，是否知曉電子計(jì)算機(jī)誕生之前的那段歲月？

計(jì)算機(jī)，英文為“computer”，最初是指從事數(shù)據(jù)計(jì)算的人，后泛指在計(jì)算過程中使用的機(jī)械設(shè)備。早期計(jì)算設(shè)備包括算籌、算盤等，甚至可以追溯到公元前87年古希臘人用于計(jì)算行星移動(dòng)的安提基特?fù)粰C(jī)器。在很長(zhǎng)一段時(shí)期，人們都使用這種耗費(fèi)人力且計(jì)算緩慢的工具。到中世紀(jì)末期，歐洲數(shù)學(xué)和機(jī)械工程學(xué)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)械原理在計(jì)算歷史上的應(yīng)用和推廣。

1642年，法國(guó)著名科學(xué)家帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明了世界上第一臺(tái)真正意義上的機(jī)械計(jì)算機(jī)。相傳帕斯卡是由擔(dān)任稅務(wù)官的父親一手帶大的，他深知父親在計(jì)算稅率稅款時(shí)的艱辛，就想為父親制作一臺(tái)計(jì)算稅款的機(jī)器。帕斯卡深入研究機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并走訪聽取了一些著名工匠的意見，終于在1642年發(fā)明了人類有史以來第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)外形像一個(gè)長(zhǎng)方盒子，是一種由系列齒輪組成的裝置，能夠做加法和減法運(yùn)算。為了解決加法中“逢十進(jìn)一”的進(jìn)位問題，聰明的帕斯卡采用了一種小爪子式的棘輪裝置。當(dāng)定位齒輪朝9轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棘爪便逐漸升高；一旦齒輪轉(zhuǎn)到0，棘爪就“咔嚓”一聲跌落下米，推動(dòng)十位數(shù)的齒輪前進(jìn)一檔。

帕斯卡“加法機(jī)”的發(fā)明是人類在計(jì)算工具上的新突破，為以后的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)提供了基本原理。它發(fā)明的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)本身的使用價(jià)值，這無疑向人們證明，利用純機(jī)械裝置來代替人的思維和記憶是可能的。自此，歐洲興起了“大家來造思維工具”的熱潮。

德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨（G.Leibniiz）于1673年發(fā)明的“乘法機(jī)”就是這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)物。這種新型計(jì)算機(jī)長(zhǎng)約1米，內(nèi)部安裝了一系列齒輪機(jī)構(gòu)，除了體積較大之外，其基本原理遵循了帕斯卡的計(jì)算機(jī)原理。不過，萊布尼茨技高一籌，他為計(jì)算機(jī)增添了一種名叫“步進(jìn)輪”的嚙合裝置，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)重復(fù)計(jì)算加法的功能。稍熟悉電腦程序設(shè)計(jì)的人都知道，連續(xù)重復(fù)計(jì)算加法就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)做乘除運(yùn)算采用的辦法。萊布尼茨的計(jì)算機(jī)，加、減、乘、除四則運(yùn)算一應(yīng)俱全，也給其后風(fēng)靡一時(shí)的手搖計(jì)算機(jī)鋪平了道路。他還系統(tǒng)地闡述了二進(jìn)制計(jì)數(shù)法，并把它和中國(guó)的八卦聯(lián)系起來，這種“二進(jìn)制”運(yùn)算法則，為計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，至今仍然是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算法則。后來，人們?yōu)槿R布尼茨的計(jì)算機(jī)安裝上電動(dòng)機(jī)，成為名副其實(shí)的“電動(dòng)計(jì)算機(jī)”，直到20世紀(jì)20年代才退出歷史舞臺(tái)。關(guān)于計(jì)算機(jī)的精彩故事，我們下期接著講！