萊布尼茲不僅是計算機的早期設計者、發明家之一,在數理邏輯的研究方麵他也是一位先驅者,他在哲學史上占有顯赫的地位。他還是一位法學家、曆史學家、語言學家、地質學家、物理學家。他為中西科技文化的交流也做出過重大貢獻。
布爾代數
在眾多為計算機事業做出傑出貢獻的科學家中,有位科學家終身沒有接觸過計算機,但他的研究成果卻為現代計算機設計提供了重要的理論根據。
他就是英國數學家布爾。他所創立的布爾代數或稱邏輯代數理論現在是,以後也仍將是計算機專業的必修課程。
布爾(1815~1864年)出身於一個手工業者的家庭,家境不十分寬裕。他原是一位中學教師,後來通過刻苦鑽研,自學成才當上了大學教授。他對研究人類思維規律的邏輯學有著濃厚的興趣。邏輯學當時在西方很受器重。古希臘著名哲學家和思想家亞裏士多德在兩千多年前就對邏輯學有過深刻研究,發展了演繹法,為形式邏輯奠定了基礎。但是兩千多年來,邏輯學在理論上的進展卻很緩慢。著名數學家萊布尼茲在邏輯學上也做出過貢獻,他提出了形式邏輯中重要的“充足理由律”。他還試圖建立一種普遍方法,把一切正確的邏輯推理歸結為數學演算,可惜沒有最後獲得成功。
1854年,布爾發表了著作《思維規律研究》,成功地將形式邏輯歸結為一種代數運算,這就是布爾代數。布爾代數產生於19世紀中葉,當時被認為“既無明顯的實際背景,也不可能考慮到它的實際應用”,可是一個世紀後它卻在計算機的理論和實踐領域放射出耀眼的光彩。布爾代數在後來的機電計算機及電子式計算機的各類邏輯部件和程序的設計中都是不可缺少的數學工具。
布爾代數與普通的代數不一樣,布爾代數中的量隻有兩個值:1和0。“1”
表示命題為真,“0”表示命題為假。這個結果很自然地與“接通”和“斷開”
兩種狀態聯係起來,因此,布爾代數特別適合於電路係統的分析與綜合。1910年荷蘭學者埃倫菲斯特利用布爾代數建立了分析與設計繼電器和電子電路的係統方法。這是後來機電式計算機和電子計算機研製成功必不可少的先決條件。
機電計量機的發明
我們今天早已步入電的世界,電燈、電話、電視……在人們日常生活中已經司空見慣了。我們每天都要和電打交道。沒有電就沒有現代文明,也就談不上今天的電子計算機。
正像蒸汽機發明以後,出現了第一次工業革命那樣,各種電機(發電機和電動機)的發明以及電力的廣泛應用,標誌著第二次工業革命的出現。這也使人們的視野比過去開闊多了。對於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。幾年後,美國的亨利在此基礎上發明了磁性強大的電磁鐵,利用電磁鐵的原理,人們製成了繼電器。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!大多數遙控裝置都離不開繼電器。繼電器是一種開關,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,使電磁鐵磁化並將一個銜鐵吸下。銜鐵連著一個開關,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製一個大電流的開斷。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,繼電器在各種控製電路中有著廣泛的應用。
計算機的研製者們欣喜地發現,繼電器的應用還有潛力可挖,它可以用來計數。它有開和關兩種狀態,就可以用來表示二進製中“0”和“1”兩個數。用多個繼電器就可以記錄多位的二進製數。正是因為繼電器具備這樣的特性,所以,後來在機電式計算機中發揮了關鍵作用。
隨著電與人類關係的逐步密切,許多人開始考慮將電學成果應用於計算技術。其中首先取得實質性進展的是霍利瑞斯製表機。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計人員。
霍利瑞斯是德國移民的後裔,畢業於哥倫比亞大學附屬專科學校,他曾在美國人口調查局工作過,對統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查,調查的項目十分詳細,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,這個時期作人口統計當然沒有太大的困難。隨著人口的迅速繁衍和大規模移民潮的湧入,美國人口劇增,這就使得人口調查和統計工作的難度一次次增加。