人类追求计算自动化历程的重要物证——莱布尼茨十进制四则运算手摇机械计算器

作者: 张涛

来源: 清华大学科学博物馆

发布日期: 2020-11-21 08:01:49

莱布尼茨计算器是人类追求计算自动化历程中的重要发明,它不仅能够进行加减乘除四则运算,而且真正实现了计算过程的自动化。莱布尼茨计算器的设计理念和核心部件引领了此后机械计算器200余年的发展进程,并在19世纪末到20世纪初推动了机械计算器的制造和普及。

人类进入当前以计算机为代表之一的信息时代,经历了漫长的发展历程,其中计算器的发明与发展起到了关键作用。在这一过程中,莱布尼茨计算器是一项里程碑式的发明,它不仅能够进行加减乘除四则运算,而且真正实现了计算过程的自动化,其设计理念和核心部件引领了此后机械计算器200余年的发展进程。

莱布尼茨十进制四则运算手摇机械计算器清华科学博物馆复原了莱氏计算器的“阶梯滚轮”装置,并在“神机妙算——计算器具历史展”中展出。人类进入当前的信息社会,尤其是进入当前流行的计算主义时代,从酝酿到成熟,经历了近400年的缓慢发展历程。但中国进入信息社会几乎是在短短十几年内完成的,并没有像西方社会那样经历过漫长的过渡。

德国著名哲学家、数学家莱布尼茨为世人所知,多半是因为他发现了微积分这一数学概念并创造了我们今天所使用的微积分符号,但大多数人并不知道他在漫长的计算器发展史和计算思想发展史中是一位重要的奠基者。他系统地发明了二进制算数,提出了“通用字符理论”,这二者均成为了信息社会的根基。此外,莱布尼茨对信息社会更直接的贡献,是他发明的能够对十进制数字进行加减乘除自动化运算的手摇机械计算器。

莱布尼茨在世之时,他的计算器就已经得到了广泛的关注和研究,并直接推动了机械计算器的发展。他的第一台计算器还是一个比较简单的木制模型,于1673年2月1日在伦敦的皇家协会得到公开展示,与会的胡克对其进行了非常细致的研究,甚至尝试研制一台更先进的计算器出来,以争夺四则运算计算器的发明权。

莱布尼茨设计的计算器,不仅能够进行加减乘除四则运算,而且还真正实现了自动化,标志着人类追求计算过程自动化之梦想的真正实现。自莱布尼茨之后,机械计算器设计愈发精巧,在19世纪末逐渐实现了量产,于20世纪初得到普及,并逐渐通过与电机和按键的结合变得更加省力,直到20世纪末被现代电子计算器所取代。

但是,在莱氏计算器后续200余年的机械计算器的发展史中,其设计理念及其核心部件仍然发挥着主导作用,之后的各类机械计算器均可以从莱氏计算器中找到影子。可见,莱氏计算器在人类追求计算过程自动化的历程中具有里程碑式的意义。

莱布尼茨于1697年完成了第四台计算器的研制,在几番改进之后,拥有8个输入位、16个输出位,经常由莱布尼茨亲自携带或单独外借到欧洲各地公开展示。为此,莱布尼茨于1704年左右还特意为计算器订制了一个木质盒子,以起到保护作用。应该说,莱氏计算器的这些公开展示活动,直接推动了机械计算器的发展,甚至掀起了欧洲研制四则运算机械计算器的高潮,我们在莱氏计算器之后出现的几台机械计算器中,都能发现其影响。

莱布尼茨死后留下了20多万张手稿,却被汉诺威王室长期封存,这严重阻碍了莱布尼茨思想的传播,莱布尼茨对机械计算器的贡献也因此被遗忘了。在莱布尼茨去世之后,他的计算器流落到了哥廷根,在那里待了一个多世纪,先是在哥廷根大学的模型陈列室里安放着,然后又闲置于大学图书馆的阁楼里。

19世纪末,在历史主义思潮的影响下,莱布尼茨的重要性日益突出,莱布尼茨手稿的整理工作逐渐被提上日程,莱氏计算器也开始进入当时的学术视野。例如,第一篇研究莱氏计算器的学术文献,应该是威廉·乔丹于1887年发表的德文文章《莱布尼茨的机械计算器》,他在文中对莱氏计算器的基本原理进行介绍,并手绘了几幅图纸。

也是在19世纪末,伴随着机械计算器制造业的逐渐成熟,以及商业需求的逐渐加大,莱氏计算器得到了机械计算器制造商们的重视和研究,从而再次推动了机械计算器的发展。例如,在1893年,著名的计算器制造商Arthur Burkhardt对莱氏计算器进行了研究,这帮助他在莱布尼茨“阶梯滚轮”的基础上发明了更小巧的“阶梯鼓轮”(stepped-drum),对机械计算器的发展起到了重要推动作用。

在此大氛围之下,1897年莱氏计算器终于被藏入现在的莱布尼茨档案馆,得到了专门保护。在1924年,著名的机械计算器制造公司Brunsviga成功复制了第一台莱氏计算器,此后又复制了4台。截止目前,在德国境内已至少拥有14台莱氏计算器复制品,大都是由机械计算器制造商、博物馆或研究机构制造的。

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