機械式電腦

機械式電腦是法國的科學家帕斯卡發明的人類第一台齒輪式計算機。 它的出現告訴人們用純機械裝置可代替人的思維和記憶，是人類歷史上不朽的珍品。

基本介紹

• 中文名：機械式電腦
• 外文名：Mechanical computer
• 屬性：發明的人類第一台齒輪式計算機
• 1623年：位於法國克勒蒙菲朗的一個家庭中
• 父親：一位並不著名的數學家
• 學科：機械工程

簡介

機械式電腦是法國的科學家帕斯卡發明的人類第一台齒輪式計算機。 它的出現告訴人們用純機械裝置可代替人的思維和記憶，是人類歷史上不朽的珍品。

歷史背景

1623年6月19日，位於法國中部的克勒蒙菲朗的一個貴族家庭中，伴隨著“哇”的一聲啼哭，一個小精靈降臨人世。自生下了小帕斯卡，家裡增添了無限生機和歡樂。帕其卡生下時十分瘦弱，為使他長大成才，父母操盡了心。這就是後來著名的數學家 布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal 1623—1662).

帕斯卡的父親是位並不著名的數學家，但卻是一位較有名望的稅務統計師。他酷愛數學，深深地體會到數學是一門探索性很強的學科。他擔心孩子學數學會勞神傷身，出於對兒子溺愛，他決心不讓帕斯卡涉足數學。當然，父親的顧慮是多餘的。

小帕斯卡天賦很高，他雖體弱多病，但從清秀的眉宇間卻透露出一股靈氣。他勤奮好學，興趣廣泛，平時很少外出玩耍，整天如饑似渴地看書學習，做札記。他七八歲就學完了差不多相當於國小的全部課程。他充滿幻想，富有才氣，儘管父親把自己的全部數學書籍都收藏起來，只讓他看語文書和兒童詩歌，連學校開設的數學課也不讓他上，可是，這一切還是不能阻礙帕斯卡對數學產生濃厚的興趣。而且父親越是不讓他學習數學，他心裡萌發的探索數學奧秘的願望越是強烈。那年，他12歲，常聽到父親與朋友們談論“幾何”，他聽不懂，不知“幾何”為何物，就去問老師。老師告訴他：“幾何就是作出正確無誤的圖形，並找出它們之間的比例關係的一門科學。”他深信幾何是一門十分有趣的學科，便偷偷地借來幾本幾何書，邊讀邊用鵝毛筆在紙上畫幾何圖形，興味無窮。

1635年，帕斯卡隨父親遷居巴黎。初秋的巴黎郊外，氣候宜人，景色美麗。一天，帕斯卡和父親到郊外遊玩，回到家裡，準備稍作休息後一起共進晚餐。這時，帕斯卡好像自言自語，又好像是告訴父親一件重大事情似地說： “三角形三個內角的總和是兩個直角。”父親為兒子的這一見解驚呆了，楞了半人說不出話來。兒子的見解意味著一個不平常的發現。這個發現來自一個年僅12歲的少年，做父親的內心不知有多么激動。他撫摸著帕斯卡的頭，過了好半天才喃喃地說：“是的，孩子，是的。”

世界上第一台齒輪式計算機

帕斯卡的重大發現改變了父親的做法。父親挑選了歐幾里得的《幾何原本》給兒子學習，也不再阻攔他上數學課，平時還常為他解答疑難問題，並帶帕斯卡參觀各種科技展覽，參加數學、物理的學術討論會，鼓勵他大膽地發表自己的見解。帕斯卡接觸到了不少當時著名的數學家、物理學家、機械師……他領略到了數學的奧秘，眼界大開，學識上大有長進。

1639年，剛滿16歲的帕斯卡對圓錐曲線等問題進行了大量的研究，掌 握了圓錐曲線的共性，寫出了震驚世界的論文。1640年《圓錐曲線論》一書出版，人們把他的這一偉大貢獻譽為“阿波羅尼斯之後的二千年的巨大進步。”從此，帕斯卡英名傳遍歐洲。

帕斯卡的父親，作為一名數學家和稅務統計師，每天要解答各方面提出的疑難問題，在一旁的帕斯卡看到父親整天苦於統計大量的數據，便產生了強烈的願望，要造一個理想的計算工具，來解脫父親的辛勞。

以前的計算工具和計算方法如筆算、算表、算圖等速度慢，精度低，遠遠不能滿足當時統計工作的需要。1642年，19歲的帕斯卡決心研製一種新的計算工具。帕斯卡有他的特點，一旦他對某件事發生興趣，就會不顧一切地想方設法去完成。

帕斯卡研究了機器運轉的各種傳動機構，又走訪聽取了一些著名工匠的意見，對自己設計的計算機圖紙反覆推敲，不斷試驗，不斷改進，最後定樣。他根據數的進位制 （十進位制）想到了採用齒輪來表示各個數位上的數字，通過齒輪的比來解決進位問題。低位的齒輪每轉動10圈，高位上的齒輪只轉動1圈。這樣採用一組水平齒輪和一組垂直齒輪相互嚙合轉動，解決計算和自動進位，組成了一台計算機。

帕斯卡於1642年設計出了計算機的圖紙，連外殼和齒輪用什麼樣的金屬材料都作了認真的選擇，同年造出了一台計算機。

第一台齒輪式計算器

帕斯卡的這台計算機可以計算到8位數字，表示數字的齒輪共16個，每 個齒輪均分成10個齒，每個齒表示0～9中的一個數，並按大小排列。8個 齒輪在上面組成垂直齒輪組，從左到右構成8位讀數，分別表示個位數、十位數、百位數……千萬位數；另外8個齒輪在下面組成水平齒輪組，從左到右可以進行8位數的加減。

6年後，帕斯卡對自己發明的計算機提出了專利申請，1649年獲得專利權。當他的計算機在盧森堡宮展出時，成千上萬的人被吸引住了。帕斯卡自己也為這一偉大傑作而陶醉，他時常到盧森堡宮去看這件不朽的“藝術品”，深感自豪。帕斯卡計算機的發明是人類在計算工具上的新突破。它發明的意義遠遠超出了這台計算機本身的使用價值，它告訴人們用純機械裝置可代替人的思維和記憶。從此在歐洲興起了“大家來造思維工具”的熱潮。還有很多遊人和學者慕名前往盧森堡宮參觀這一歷史上的珍品——世界上第一台齒輪式計算機。

帕斯卡發明製造的齒輪式計算機還保留有6台。其中5台在巴黎藝術和手工藝品博物館內，一台保存在德勒斯登的物理教學沙龍。這些計算機長約30厘米，寬15厘米，高10厘米，是科學史上難得的珍品。

帕斯卡一直被公認為世界上第一台齒輪式計算機的發明者，他也為自己的這一成就而感到無比自豪。但在帕斯卡發明之前，德國的數學家卡什爾已設計製造出6位數的齒輪式計算機。卡什爾是著名的東方語言學家，數學家。他對天文學也有頗深的研究。他常困於大量的數據計算，被繁雜的計算攪得精疲力盡。現實中的問題促使他創造一種新的得力的計算工具，來減輕計算上的沉重負擔。1623年，他開始著手構思設計，同年造出了樣機，以後又進行了一些改進。這台計算機的原理與帕斯卡的有相同之處，使用過程中也極易發生故障。從歷史上來看，人們對卡什爾發明計算機了解很少，它的社會影響極小，直到1958年，人們才在有關歷史資料中得知他發明齒輪式計算機的情況。因此，在談到第一個齒輪式計算機發明時，不能不提及卡什爾。實際上，卡什爾才是齒輪式計算機的第一個發明者。

萊布尼茲計算器

帕斯卡發明的第一台計算機觸動了一位著名的學者，他就是在近代科學史上舉足輕重的萊布尼茲。

萊布尼茲（1646～1716），德國人，博學多才。他和科學大師牛頓是同時代人。

1672年，他因外交事務到法國和英國居住了4年。在這4年中，他一生 的事業發生了轉折。這期間，他結識了許多科學家。其中與惠更斯（1629～1695，擺鐘的發明人）的交往，激發起他對數學研究的濃厚興趣。雖說萊布尼茲是“半路出家”，但他憑著刻苦鑽研的精神，竟然後來居上，對數學及計算科學作出了3項重大貢獻，躋身於數學大師行列，其中任何一項貢獻都足以使他名垂後世。

萊布尼茲一生對科學最大的貢獻就是發明了微積分，牛頓也是發明者之一。但他們研究的路徑不同。牛頓從物體的變速運動開始，創立了微積分學。而萊布尼茲則從幾何學的角度考慮，也創立了微積分學，他所採用的表達形式更為合理，更為簡潔。有興趣的讀者可以翻翻高等數學或理論物理學等書，

在書里你會看到一個被拉長了的字母“S”——“∫”，這是積分的符號，它就是萊布尼茲在200多年前最先使用的，並且一直沿用。

萊布尼茲對科學技術的第二大貢獻是發明了機械式計算機。萊布尼茲對帕斯卡的發明異常欽佩。為改進當時的齒輪式計算機，他特地從德國遷居到法國巴黎，親眼看一看帕斯卡的計算機，並聘請了著名的機械專家協助工作。帕斯卡不是已經製造成功了計算機嗎？為什麼他還投入如此巨大的精力呢？原來帕斯卡的計算機只能用於加減運算，對乘除只能用連加和連減的方法來解決，使用時必須記住加減的次數，很不方便，速度又很慢。這樣，這台計算機所能起的作用就很有限了。萊布尼茲深感有必要研製一種真正實用的計算機，減輕人們在計算上的沉重負擔。他曾說過：“讓一些傑出的人才像奴隸般地把時間浪費在計算上是不值得的。”萊布尼茲的突出成就是他提出了直接計算乘除的計算機的設計思想。他在給一位朋友的信中曾這樣寫到：“我為製成這種計算機而感到無比幸福，它與帕斯卡的計算機相比有天壤之別，因為我的機器能在瞬時間裡完成很大數字的乘除而不必連續加減。”

萊布尼茲計算器是一個長100厘米、寬30厘米、高25厘米的盒子(圖左)，主要由不動的計數器和可動的定位機構兩部分組成。不動部分有12個小讀數窗，分別對應帶有十個齒的齒輪，用以顯示數字。可動部分有一個大圓盤和八個小圓盤。用圓盤上的指針確定數字，然後把可動部分移至對應位置，並轉動大圓盤進行運算。可動部分的移動用一個搖柄控制，整個機器由一套齒輪系統傳動。萊布尼茲計算器的主要部件是梯形軸，即帶有不同長度齒的小圓柱，圓柱的齒象梯形的樣子。這種梯形軸是齒數可變的齒輪的前驅，有助於順利實現比較簡便的乘除運算；同時，把機器分為可動與不動部分的設計，導致滑架移位機構的產生，簡化了多位數的乘除運算。萊布尼茲的這兩項發明，長期為各式計算機所採用，在手搖計算機發展史上做出了重要貢獻。 萊布尼茲的計算器及其設計思想，引起了巴黎科學院和倫敦皇家學會極大的興趣。為此，在1673年，萊布尼茲被選為巴黎科學院院士和倫敦皇家學會會員。同年，他所製成的樣機送到倫敦展出。萊布尼茲也為自己的這項對計算工具的重大改革而深深激動，他說這使他“感到非常幸福”；他興奮地說：“天文學家再也不必繼續訓練為了計算所需要的耐心了……，如果使用機器，這種工作可以交給任何別的人去做。

契卡德計算機

契卡德計算機幾乎就在英國牧師奧卻德完成計算尺研製的同一時期，歐 洲大陸上空顯現了計算機發明的第一抹曙光。人們大都把第一台機械計算 機的榮譽歸功於法國的帕斯卡，但鮮為人知的是，在帕斯卡之前，德國科學家契克卡德（W. Schickard） 曾經製作出一台更出色的計算機器。

1623年，契克卡德教授為自己的摯友、天文學家克普勒製作了一種 機械計算機。據說，契克卡德只造了兩台原型，是否還在何處保存著不得而知。人們是在 他的一封信里發現了該機器的示意圖， 才知道了這個事實。契克卡德計算機能 做6位數加減法，或許設定了某種“溢出”響鈴裝置；機器上部附加一套圓柱型“納 皮爾算籌”，因此也能進行乘除運算。1960年，契克卡德家鄉的人根據示意圖 重新製作出契卡德計算機，驚訝地發現它確實可以工作。93年5月，德國為契克卡 德誕辰400周年舉辦展覽會，隆重紀念這位被一度埋沒的計算機先驅。