机电计量机的发明

时间：2024-01-22 03:40:01 | 来源：信息时代

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机电计量机的发明：
我们今天早已步入电的世界，电灯、电话、电视  在人们日常生活中已经司空见惯了。我们每天都要和电打交道。没有电就没有现代文明，也就谈不上今天的电子计算机。
正像蒸汽机发明以后，出现了第一次工业革命那样，各种电机（发电机和电动机）的发明以及电力的广泛应用，标志着第二次工业革命的出现。这也使人们的视野比过去开阔多了。对于研究计算机的人来说，很自然的一件事就是：不能把目光仅仅停留在老式的机械式计算机上，应该考虑可否利用电器来改进原有的机械式计算机的装置。
1822 年，法国的盖·吕萨克和阿拉戈利用电流的磁效应，把通电导线绕在软铁上，使一块普通的软铁变成了磁铁。几年后，美国的亨利在此基础上发明了磁性强大的电磁铁，利用电磁铁的原理，人们制成了继电器。继电器是在机电式计算机上第一个派上用场的电器部件。
同学们中一定有人玩过遥控玩具，或者使用过遥控电视机的遥控装置吧！大多数遥控装置都离不开继电器。继电器是一种开关，不过它的开启与闭合不是靠人手去拨弄，而是靠微弱的电流。这种弱电流通过一个电磁铁的线圈，使电磁铁磁化并将一个衔铁吸下。衔铁连着一个开关，就可使得另一个大电流接通或断开。
有了继电器，一个微弱的电流就可以控制一个大电流的开断。而微弱电流本身的开断不一定需要我们用手去拨动，它可以通过其他各种手段达到。比如无线电信号、导电的水、能导电的人体等，因此，继电器在各种控制电路中有着广泛的应用。
计算机的研制者们欣喜地发现，继电器的应用还有潜力可挖，它可以用来计数。它有开和关两种状态，就可以用来表示二进制中“0”和“1”两个数。用多个继电器就可以记录多位的二进制数。正是因为继电器具备这样的特性，所以，后来在机电式计算机中发挥了关键作用。
随着电与人类关系的逐步密切，许多人开始考虑将电学成果应用于计算技术。其中首先取得实质性进展的是霍利瑞斯制表机。提到它的设计人霍利瑞斯，人们或许会感到意外，因为他既不是工程师，也不是科学家，而是一名普普通通的统计人员。
霍利瑞斯是德国移民的后裔，毕业于哥伦比亚大学附属专科学校，他曾在美国人口调查局工作过，对统计工作的特点和艰巨性非常了解。
当时的美国每隔几年就要作一次人口调查，调查的项目十分详细，光是按年龄的划分就有 10 类：5 岁以下、6～10 岁、11～20 岁、21～30 岁、  直到 80 岁以上年龄段。大家知道，美国人口主要是由移民组成的。18 世纪
末、19 世纪初，美国的人口还不多，广大的西部还都是人烟稀少的森林、草原和沼泽地，这个时期作人口统计当然没有太大的困难。随着人口的迅速繁衍和大规模移民潮的涌入，美国人口剧增，这就使得人口调查和统计工作的难度一次次增加。
大量的人口资料堆积如山，使统计工作者望而生畏，以致 1880 年的人口调查统计任务一直拖到 1887 年也没有结果。霍利瑞斯制表机就是在这种背景下应运而生的。
一天，霍利瑞斯和一位在人口调查局工作的官员比灵斯聊天，几句话就扯到了令人厌烦而又无法回避的人口调查问题上。比灵斯叹了一阵苦经之后，忽然提到一个他已考虑了多日的设想，那就是使用穿孔卡片帮助统计。让每个接受调查的人都使用相同规格的硬纸卡片，按照不同的个人情况在不同的位置上穿孔，然后使用一种特殊的机器把这些信息读出并加以统计，至于机器如何设计他就不得而知了。
比灵斯的设想给霍利瑞斯以极大的启发，激起了霍利瑞斯的创造灵感，使他仿佛看到了解决问题的曙光。他过去听说过提花编织机上穿孔卡的故事，那件事发生在 1728 年，一位法国工程师发明了一种自动提花织布机，其中设计了一连串长长的穿了孔的卡片，让卡片转动，使得那些与卡片上的洞眼正好对着的织针顺利通过，而不相对的织针通不过。这样，纱线就织出了规定好的花纹。当时已是 19 世纪末，时代不同了，要求也不一样。霍利瑞斯懂得，仅用机械的方法显然会黔驴技穷，只有配上最新的电工技术才会使问题得到解决。
那时候、电工技术在美同是一样很时髦的于艺，霍利瑞斯虽然没有专门学过电学，但对电工技术还是很内行的，因为他常在业余时间摆弄各种电器。在同事、家人、邻居的心目中，他可是个能干而热心的人。最后，他将弱电流技术和过去的穿扎卡片技术融为一体，设计制造了可用于人口调查的制表机。
霍利瑞斯制表机主要由 5 个部分构成：1.接受压力机；2.继电器；3.计数器；4.分类盒；5.电池。制表机上阅读穿孔卡片的设计别具匠心，现在我们就以一个孔的位置为例介绍一下。先将卡片平放在相应位置上，孔的位置上方是一根带弹簧的金属棒，下方是一个水银杯。工作时，金属棒被轻轻地压下来，如果该位置上没有孔，金属棒被卡片纸挡住不下来，不能出现后续动作。反之，由于该位置事先已穿好了孔，金属棒就“长驱直入”地插入下方水银杯中。
水银和金属棒都是导体，它们接触以后，就好比接通了开关，形成了回路，产生电流。又由于所加的电压低，形成的电流很弱，不会产生损坏制表机的电火花，也不会对人体造成伤害。另一方面，电流虽弱，但可以使继电器吸合，产生大电流。大电流使相应的计数器加 1，这样就完成了此项目的一个人的统计。这种设计实在太巧妙了！金属棒有很多根，它的数目由统计项目和分类的多少来决定。
其实在今天，我们仍然有不少表格需要填写，像中学生升学填表，大学生毕业填表，甚至有时在考试中也有用填表作为答案的。不过，今天不用再穿孔，而只要你在相应位置上用笔涂黑就行。读表的装置也比那时高明得多了，用的是光电阅读器，它可算是穿孔卡片方法的“直系后裔”了。
美国的人口统计机关当时曾征集过能加快统计速度的发明，除霍利瑞斯
以外，还有两名应征者。他们采用了颜色卡片，但分类和计算仍依靠手工，与霍利瑞斯的发明相比真是相形见拙，霍利瑞斯成了竞争中的唯一胜利者。
有了制表机的武装，人口调查的难题自然迎刃而解。1890 年，共作了 6300 万人的调查登记，资料汇总到首都华盛顿以后，一个月就完成了统计制表工作。而 1880 年，仅作了 5000 万人的调查登记，统计制表工作化了 7 年半的时间，还多化了几百万美元。
人们对制表机的成功，大加赞赏，许多大企业的会计业务、产品统计，都竞相仿效，后来还风行于世界各地，奥地利、加拿大、挪威、俄国等都改用制表机进行人口调查。霍利瑞斯制表机，尤其是它的读写卡片装置的巧妙设计，对以后的机电式计算机和电子计算机的研制都有极大的影响。
霍利瑞斯研制成功制表机以后，穿孔式计数技术得到了发展；继电器得到了更广泛的应用。人们还发现，19 世纪的英国数学家布尔创立的一套被称为“布尔代数”的数学理论，特别适合用于逻辑电路的设计，因此，逻辑电路设计也取得了很大的成绩。就这样，在本世纪三四十年代，一批与当年巴贝奇方案相似的新型计算机——机电式计算机方案出现了。
中国有句成语，叫做“英雄所见略同”。在德国和美国，几乎同时有人在研制机电式计算机，原理、结构、性能都十分相似。德国的朱斯从 1934 年开始，投身于机电式计算机的研制，当时他 24 岁，正在学习土木工程。但是，他的主要精力没有放在土木工程这门“主课”上，反而对计算机研制工作于得津津有味，难免有人认为他“不务正业”，他的“爱好”受到别人奚落。他读过巴贝奇的传记，虽然巴贝奇的结局是悲剧性的，不过他觉得巴贝奇很有道理。如果巴贝奇活到现在，就有成功的可能。有人不理解他，觉得他为古人担忧有些好笑，可是朱斯却认真得很，决心依靠自己个人的财力开展研究。
由于资金短缺，有时候动手拆除家中一些器具充当计算机部件。他试制的第一台计算机 Z—1 是纯机械结构的计算机，费用不算太大，花了九牛二虎之力，总算在 1938 年完成。接下去他要大干一番，打算采用继电器技术制造计算机 Z—2，其实，这就是一台机电式计算机。
刚动手干不久，战争贩子希特勒就开始了进攻波兰的闪电战，第二次世界大战爆发了。纳粹德国开始大征兵，年轻的朱斯“榜上有名”，计算机 Z —2 的研制完全“泡汤”了。事有凑巧，一个偶然出现的机会挽救了他。
1939 年，他的朋友，也是后来的合作者许莱尔向纳粹政府提交了一个备忘录，竭力鼓吹朱斯关于新式计算机研制工作的重大意义。由于计算机将来在军事上会很有用，敏感的当局不仅豁免了朱斯的军役，而且还慷慨地拨出了专款支持朱斯的研究，这偶然的巧事，使得朱斯“因祸得福”
经过两年的艰苦努力，他终于在 1941 年研制成功全继电器的，机电式的通用自动计算机 Z—3。这台计算机可以说是当时世界上最先进的新型计算机了。它能够执行 8 种指令，字长 22 位二进制，计算加法为 0.3 秒、乘法为 4～ 5 秒。整机用了 2600 个继电器，这是世界上第一台通用程序控制计算机。1945年初，朱斯对 Z—3 计算机作了改进，制成了可靠性很高的机电式计算机 Z— 4。
就在这一年，前苏联的红军和西方盟国的部队已经攻到了德国本土，逼近了柏林，希特勒点燃起的战火烧到了他自己家门口，全世界爱好和平的人民都为之振奋。燃烧的战火对于发明家朱斯，真是太不幸了，他的实验室，
他的 Z—3 计算机都遭到了盟军的轰炸，在霹雳声中灰飞烟灭。唯一值得庆幸的是，Z—4 计算机被藏在一座农舍的地窖里，才免遭此劫。
德国战败以后，朱斯流亡到中立国瑞士的一个偏僻的乡村，即使在那里他也无心欣赏美丽的田园风光，计算机研究仍然是他的第二生命。虽然没有了实验室，没有了计算机，可是还有大脑，他还能研究计算机软件，他在那里提出了“程序演算”理论，即今天所说的计算机程序设计。这对软件的发展影响很大。
可惜的是，朱斯在第二次世界大战期间完成的发明很少被德国以外的人所了解，仅有一台幸存的 Z—4 计算机成了他的伟业的见证。这台计算机的牢固性和可靠性令人赞叹，1950 年到 1954 年用于瑞士技术学院，1955 年到 1958 年用于法国国防部，直到 1959 年才被送进历史博物馆。
与朱斯同时，美国的艾肯（1900～1973）也在研制机电式计算机。艾肯 1900 年生于新泽西州的霍博肯，青少年时代学习勤奋刻苦，1923 年他以优异成绩毕业于威斯康星大学，1939 年在哈佛大学获得博士学位。
在攻读博士学位期间，经常遇到大量的冗长乏味的计算。他设想造一台计算机，帮助解那些比较复杂的代数方程。1937 年，艾肯正式提出一份题为《自动计算机建议》的备忘录，在原理、结构、性能方面，与巴贝奇、朱斯的设计不谋而合。当时美德两国正处于敌对状态，所以艾肯与朱斯互不了解对方的工作。艾肯读过巴贝奇的自传，并为巴贝奇的创造精神鼓舞，但他没有读过艾达·拜伦对于巴贝奇分析机的说明，因此在机电式计算机的设计中，他表现了高度的独创精神。
事有凑巧，当时国际商业机器公司（即著名的 IBM 公司）总经理汤姆斯·沃森财大气粗，并且很有远见，看到艾肯的“建议”以后，决定给予支持。从 1939 年开始，艾肯得到了 IBM 公司的资助，哈佛大学也趁机成立了计算研究所。看来艾肯的境遇比他同时代的朱斯好多了。艾肯工作起来极其认真。他往往是天蒙蒙亮到研究所，晚上八九点钟才离开。他讲起话来，发音极为清晰，表达思想十分精确。艾肯认为造出新型计算机对科学和社会是一种奉献，这种理想一直鼓舞着他奋不顾身地工作。
经过 4 年的艰苦努力，艾肯和他的同事们共同制成了这台机电式计算机。起先他们将它叫做自动程序控制计算机，后来大家给它起了个绰号，叫做“马克—1”。它是个庞然大物，约有 15.5 米长、2.5 米高，几乎塞满了计算机研究所的一间大屋子。它用了 3000 多个继电器，运行时声音很响，人们很难在它身旁说话。1944 年 8 月，马克—1 计算机正式完成，接着交给了订户哈佛大学，一直使用了 15 年之久。由于它诞生在远离战场的美国，所以其影响要比朱斯的 Z—3 计算机大得多。
马克—1 计算机主要用于科学计算。1945～1947 年间，艾肯又负责研制成功了经过改进的马克—2 计算机。在计算机的发展史上，这两台机电式计算机有着重要的地位。1956 年，艾肯还负责制成过马克—4 计算机，那是一台在美国空军支持下研制成功的电子计算机。
艾肯是个意志非常坚强最会珍惜时间的人，他每天总要晚上八九点钟才离开研究所，有时第二天凌晨 4 点就又回所了。1973 年 3 月 14 日，艾肯在美国的圣路易斯病逝。
机电式计算机是计算机发展史上短暂的一页。它是计算机发展道路上的一次必要的科学尝试。由于它工作中仍有机械动作，因此它的运算速度很难
有更大的提高。但是，它为早期的电子计算机设计制造积累了宝贵的经验，对于现代高速电子计算机的发展起了开路作用。只有电子计算机，才真正是人类智力解放的有力工具。要介绍电子计算机的发明过程，必须对电子技术的发展有所了解，让我们暂时把时间的指针拨回到 19 世纪末去吧！