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织布机与计算机 精选

已有 13203 次阅读 2015-7-8 08:45 |个人分类:科学书摘|系统分类:科普集锦| 科学出版社, 计算机, 罗建举, 木与人类文明, 织布机

图中左边为一台古老的织布机,右边是一台现代的电子计算机,它们两者之间会有什么内在联系吗?

织布机乃是一种非常原始的半机械化布料织造工具。考古发现,距今约7000年的河姆渡遗址中就出土了纺轮、卷布棍、梭形器和机刀等器物,据推测这些可能属于原始织布机的附件。这些出土器物表明,早在新石器时代人们除了手工编织以外,已经发明了原始的织布机械。

现在电子计算机是人们工作和学习不可缺少的现代化设备。当前人们普遍认为世界上第一台电子计算机为1946年由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发的ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)。但现代计算机的历史绝不是从这时才开始的。在此之前已经存在大量的理论储备和试制研发。如克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon,公元1916-2001年)的信息论,诺伯特·维纳(Norbert Wiener,公元1894-1964年)的控制论,乔治·布尔(George Boole,公元1815-1864年)的布尔函数,阿兰·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing,公元1912~1954年)的图灵机,约翰·阿坦那索夫(John Vincent Atanasoff,公元1903-1995年)的ABC计算机和查尔斯·巴比奇(Charles Babbage,公元1792—1871年)的分析机,……,如果再继续往前追溯,就联系到古老的织布机了。

大家可能很难想像,事实上现代计算机的编程思想就是来源于织布机的花纹编织。


1、老式提花机

普通织布机只能织造平纹布料或斜纹布料,如果要织造花纹布料就需要采用提花机。老式提花机是中国古代重要发明之一,早在商代时期就有使用。

图 老式提花机的织造场景

如图所示,工作时,一人在上提综操控经线,一人在下踏杆引导纬线。东汉王逸《机妇赋》中描述了老式提花机的织造工作场景,“纤纤静女,经之络之,动摇多容,俯仰生姿”,真是好一幅美伦美奂的动人画面。

2、雅卡尔提花机

十九世纪早期的法国里昂是世界闻名的丝织之都。里昂的丝织工人们织出的丝绸锦缎图案绚丽,精美绝伦,被人们视为珍品,然而他们使用的工具却还是老式手工提花机。这种机器需要有人站在上面,费劲地将经线一根一根地提起、放下,就好像演员在操纵牵线木偶一样。可想而知,这种方式的工作强度非常之大、工作效率非常之低。

1804年,法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔(Joseph Marie Jacquard,公元1752-1834年),在老式提花机的基础上发明了穿孔纸带控制编制花样的提花机,大幅度提高了工作效率。 雅卡尔提花机工作效率是老式提花机的25倍。其工作原理就是预先根据需要编制的图案在纸带上打孔,根据孔的有无来控制经线与纬线的上下关系。雅卡尔的穿孔纸带不只为丝织行业带来了巨大技术革命,同时也为全人类打开了一扇信息控制的大门。

图 雅卡尔的穿孔纸带提花机

3、计算机鼻祖—巴比奇

1836年,雅卡尔去世两年之后,计算机科学先驱、著名的英国数学家查尔斯·巴比奇(Charles Babbage,公元1792—1871年)制造了一台木齿铁轮计算机,用来计算很多数学难题。在这台木齿铁轮计算机中,巴比奇利用了雅卡尔穿孔纸带原理进行计算机编程。当时巴比奇的助手,爱达·洛夫莱斯(Ada Lovelace,公元1815-1852年)戏称这台木齿铁轮计算机就如同提花机织布一样,在编织着代数模型。虽然巴比奇没有使用语言编程(一个世纪以后才正式出现),但他毕竟提出了为计算机编程的思想理念,这一理念启发了20世纪的计算机科学家们。因此,人们将巴比奇称为计算机的鼻祖。其助手爱达为巴比奇的分析机设计了求解伯努利方程的程序,因此人们称她为世界上第一位计算机软件工程师。为纪念爱达的伟大贡献,后来美国国防部的标准程序语言以“ADA”命名。

图 巴比奇的木齿铁轮计算机

4、美国IBM计算机公司

继巴比奇之后,1889年美国统计学家赫尔曼·霍尔瑞斯(Herman Hollerith,公元1860-1929年)根据雅卡尔提花织布机的原理,利用穿孔卡片,开发了穿孔卡片制表系统用于人口普查,大幅提高了人口普查工作效率。霍尔瑞斯的穿孔卡片制表系统,其实就是一套机械式计算机系统,被认为是现代计算机的雏形。如今大名鼎鼎的IBM公司(International Business Machines Corporation)当时就是靠卖穿孔卡片制表系统起家的。1935年IBM公司在穿孔卡片制表系统的基础上,开发出了型号为IBM601的穿孔卡片式计算机,如图 7-17所示。该产品迅速占领了美国市场,IBM公司也因该产品的大量销售而积累了雄厚的财力和强大的销售服务能力。由此,IBM公司奠定了它在全球计算机领域的霸主地位,并引领全人类快速进入到一个崭新的计算机时代。

图 IBM601穿孔卡片式计算机

本文由刘四旦摘编自罗建举等著《木与人类文明》一书。《木与人类文明》研究木与人类文明的关系,分为上、中、下三篇,分别从木与生活、木与科学、木与人文三个方面展开讨论。木与生活篇,通过分析人类衣、食、住、行基本生活方式演进过程,揭示了人类生活对木的依赖和木对人类文明的贡献。木与科学篇,讨论了中国古代四大发明和现代计算、测量、计时与能源科学的形成发展过程中木的重要作用和贡献。木与人文篇,探讨了木对音乐、美术、文学和文化传播技术的起源、产生与发展的关键作用和重大影响。通过系统的分析研讨,充分认识到木对于人类文明发育与发展具有无可替代的作用。没有木,就没有现代的人类文明。木是人类文明的基础,木文明是人类文明的核心。

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