在那激情燃烧的岁月,搞“两弹一星”竟然离不开它?

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-01-16

走近计算尺,去领略那深邃的内涵和传奇的应用……

  大凡搞科学研究,计算是必不可少的。然而,在计算机资源十分匮乏的年代,像“两弹一星”这样的尖端科技项目,科学家是如何完成那繁琐复杂的计算的呢?

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中国“氢弹之父”于敏利用计算尺进行计算(新闻直播间)

  传奇之尺,助力“两弹一星”辉煌

  从原子弹到氢弹,按照突破原理试验的时间比较,美国人用了七年零三个月,英国是四年零三个月,法国是八年零六个月,前苏联是四年零三个月……其中一个重要原因,就是计算极其繁复。(文献2)

  据媒体披露,邓稼先在研究原子弹的过程中,一个关键数据算上一遍,要有上万个网点,而每个网点要解五、六个方程……在他的办公室里,光是打成捆的演算纸就堆了几十个麻袋。(文献8)image002

中国的“两弹一星”(新京报)

  我国的“两弹一星”,是在一穷二白的条件下独立研制的。我国科学家打破国外技术封锁,于1958年研制成功了第一台电子管计算机(103型),不过一秒钟才能运算几十次。

  1959年,我国研制的第一台大型通用电子管计算机(104型),每秒钟可运算一万次。1964年我国完成第一台大型通用数字电子管计算机(119型),平均浮点运算速度每秒5万次……

  但由于电子管计算机还是十分原始的,计算能力也十分有限,与国外的计算装备也无法相比。

  研制“两弹一星”,计算是一个重要的方面。单就计算来讲,国产计算机发挥了骨干作用,计算尺等传统计算工具也是功不可没的!

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1964年,第一颗原子弹试验后场区集体照(网络图)

  科学家前辈们在科学利用计算机的同时,充分利用计算尺来进行复杂的科学计算,从而取得了一个又一个的胜利。

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中国“两弹元勋”——邓稼先(网络图)

  为了原子弹,邓稼先隐姓埋名,以身许国。到了进入试验物理研究阶段,他就彻底音讯全无了。那个时代的计算手段还十分落后,邓稼先的团队只得动用手摇计算机、计算尺、算盘等计算资源,并且三班倒轮流计算。

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郭永怀与夫人李佩(网络图)

  郭永怀是我国唯一为核弹、导弹和人造地球卫星实验工作均作出巨大贡献的科学家。如今在力学所的“郭永怀副所长办公室”里,仍保留着郭永怀生前使用过的物品,其中就有他经常使用的计算尺。

  原子弹爆炸后,研制氢弹被提上了议事日程。但氢弹的研制要比原子弹更为复杂。一向被誉为“氢弹之父”的于敏,曾被授予“两弹一星功勋奖章”,还是2014年度国家最高科学技术奖获得者。

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中国“氢弹之父”——于敏(网络图)

  为了完成氢弹理论的突破,于敏也有自己的办法。那就是他领导下的课题组人手一把计算尺,并且夜以继日地进行计算,从而攻克了一个又一个的难题。

  那么,在那个特殊的年代,为什么科学家对计算尺如此钟情呢?请看——

  初识算尺,除了刻度还有什么?

  说起尺子,你的第一反应可能就是测量。可是,今天要说的计算尺可不是用来测量的。

  计算尺,顾名思义就是“计算用的尺子”。没错,计算尺就是工程技术人员进行科学计算的重要工具。

  在20世纪80年代之前,几乎每个工程技术人员都有一把计算尺。技术人员利用计算尺可以方便地进行乘除、乘方、开方及有关三角函数的运算。

  计算尺可广泛应用于科学研究、教学实践以及生产管理等领域,并为我国的科技教育事业做出了不可磨灭的贡献。

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中国核潜艇之父——黄旭华(新华网)

  媒体披露,中国第一代核潜艇总设计师黄旭华,用算盘和计算尺为首艘核潜艇计算出了几万个数据。为了保证数据的准确,他把算盘和计算尺计算出来的数据进行比对验证。

  单看计算尺的尺面,除了数学符号和刻度之外,可能就没有其他神秘的东西了。可就是这些看似简单的数值刻度,科学家却可以利用它设计出原子弹、飞机、轮船等尖端科技产品来。

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计算尺的基本构成(网络图)

  你也许会问,计算尺该如何使用呢?我们先来看看计算尺的基本构成。计算尺通常是由三个组件构成的,一是定尺,也叫尺体;二是滑尺,也叫尺舌;三是游标,也叫滑标、推片等。

  使用计算尺进行科学计算,需要经过专门的训练,才能做到又快又准。一般来说,计算时可利用滑尺上的一点对准定尺上的另一点,然后移动游标并借助指示线迅速读出运算结果。

  定尺和滑尺的正反两面都有许多组刻度,每组刻度就构成了一个尺标。这是为了满足不同的计算需求而设置的,比如计算乘除法、平方根、指数、对数或三角函数需要使用相应的尺标。

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圆形计算尺(网络图)

  计算尺的形式有多种,主要为直尺形计算尺和圆形计算尺。对于直尺形计算尺来说,常见的有25厘米和12.5厘米两种规格。

  一般计算尺的计算结果拥有三位有效数字,可满足一般的工程计算的精度要求。

  计算尺的计算速度是由读数的速度决定的,因此取决于使用者的熟练程度。

  你也许会说,如此简单的计算尺,为何拥有如此强大的功能呢?请看——

  对数之妙,让计算变得更简单

  对许多人来说,对数可能是一个令人十分头痛的问题。然而,对数又是一种很有意思的函数,它可以把乘除运算转化为加减运算。

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苏格兰伟大的数学家——约翰•纳皮尔(网络图)

  计算尺就是根据对数运算原理发明出来的,因此也叫对数计算尺。说起对数,有一个人不能不提。他就是苏格兰伟大的数学家——约翰•纳皮尔,他一生最大的成就可能就是发明对数了。

  在16世纪和17世纪交替之时,纳皮尔在研究天文学的过程中,为了简化其中的大量计算而发明了对数,时间大约在1594年左右。

  纳皮尔的发明是数学史上一项革命性的创举,科学家利用对数可以加快计算速度。原来,我们利用对数可以把乘法简化为加法,除法简化为减法。 image011image012

一代大师第谷•布拉赫,一向以精密观测而著称,并积累了大量的天文观测数据。然而,只有第谷的大数据,而没有开普勒的科学计算,人们还是不知道行星是怎么运动的。

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德国杰出的天文学家——开普勒(网络图)

  纳皮尔的发明首先为天文学家带来了福音。大名鼎鼎的开普勒,把第谷的大数据视为珍贵的资源,利用对数来推算火星的轨道,从而创立了著名的行星运动三大定律,并成就了近代天文学的开端。

  法国著名天文学家拉普拉斯曾说过,利用对数可以简化计算过程,因此相当于延长了天文学家的寿命。伽利略说过:“给我空间、时间及对数,我就可以创造一个宇宙。”

  经过许多年的探索,纳皮尔于1614年出版了他的名著《奇妙的对数定律说明书》,并公布了他的这项关于对数的发明。1648年,波兰传教士穆尼阁把对数传到了中国。

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邮票上的“对数恒等式”(网络图)

  英国当时最著名的数学家亨利•布里格斯专程来到苏格兰拜见纳皮尔。布里格斯说:“阁下,我慕名远道而来,就是想拜访您!您凭着什么样的智慧,用如此简单的方法来帮助天文学家?”1617年,布里格斯发表了第一张常用对数表。

  布里格斯的拜访和鼓励,让纳皮尔感到信心满满。纳皮尔发明了小数点和纳皮尔棒,并为牛顿的微积分学奠定了基础。

  原来,纳皮尔棒是一种著名的计算工具,多是由动物的骨、牙、角等制成。在纳皮尔棒上写有密密麻麻的阿拉伯数字,其实这就是一个乘法表。每个小格都用一根斜线划分成两个部分,左上部分的数字为十位数,右下部分的数字为个位数。

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纳皮尔棒(计算棒)示意图(网络图)

  纳皮尔提出的对数概念,极大地推动了数学的发展,并为计算尺的诞生奠定了理论基础。

  然而,关于计算尺,为什么只能闻其声而不能见其影呢?请看——

  计算之尺,“深闺”中的漫长等待

  1620年,哥莱斯哈姆学院教授埃德蒙•甘特为了减少使用者查阅对数表的麻烦,就把对数表刻在了一把尺子上。有了这样一把尺子,人们就不用老跑图书馆了。但这是一把单独的刻度尺,需要借助圆规的帮助才能得出计算结果。

  康熙皇帝对西方数学很感兴趣。他是中国历史上最早使用计算尺的人,康熙年间御制的象牙计算尺就是证据。

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奥特雷德计算尺原理图(图片见水印)

  大约到了1622年,英国的另一位数学家威廉•奥特雷德也在研究对数计算方面的问题。他把两把甘特对数尺并排放置在一起,这样一来通过相对滑动就能完成对数尺上示数的相加了。

  奥特雷德对甘特式计算尺的改进和完善,使得世界上第一把计算尺诞生了。后来,他还发明了圆形计算尺。

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奥特雷德(1575年-1660年)是英国数学家,直线对数尺及圆形计算尺的发明者之一。著有《数学之钥》等专著,对数学符号的发展产生了很大影响。(图片见水印)

  如此简便实用的计算尺,价格也不算太贵,也该“火一把”了吧!然而,大多数人并不买计算尺的账。就这样,一晃就是两个世纪过去了,计算尺还是藏在“深闺”人未知。

  1814年,百科全书的开创者彼得•罗吉特发明了一种双对数计算尺,并在英国皇家学会演讲时公布了他的发明。双对数计算尺的应用范围更广,但在当时也没有引起人们的重视。

  200年过去了,藏在“深闺”中的计算尺能否有“出头之日”呢?请看——

  走出“深闺”,开启百年辉煌大幕

  说起计算尺的大普及,一位年轻人的作用不能忽视。这位年轻人就是法国炮兵中尉阿梅代•马内姆,他当时的年龄只有19岁。

  1850年,马内姆对计算尺进行了改进。比如,他挑选了4种用得比较多的对数标尺,然后为它们加上一个游标。这样用起来可就方便多了,结果没过几年就被法国陆军看中了。

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直尺形计算尺(网络图)

  在战场上,计算尺的优势表现无余。双方交战,如果利用对数表来计算炮弹落点,那么往往会贻误战机的。而利用计算尺,一拉就能出计算结果,自然会受到指挥官的青睐。 

  此后,美国和欧洲的科学家也逐渐用上了经马内姆改进的计算尺。

  奇妙无穷的计算尺,可以让繁琐复杂的数据计算变得非常简单,因此许多数学方程和数学结构都能用计算尺来计算。

  据说,美国的“阿波罗飞船”在奔赴月球时,也没有忘记带一把计算尺作为备用计算工具。足见计算尺在科学家心目中的地位是何等的不可或缺呀!

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上海四达尺厂出品的计算尺(网络图)

  创建于1931年的上海四达尺厂,是我国最早制造计算尺的工厂之一。1954年以后,我国计算尺生产就形成了一定规模,并出口到印度以及东南亚等地。

  到了20世纪70年代,我国的计算尺事业获得蓬勃发展,其应用领域已经十分广阔了。

  计算尺的百年辉煌,到底创造了哪些科技传奇呢?请看——

  神机妙算,大师智慧演绎传奇

  计算尺也许只是一个工具,它所承载的却是对数的奇妙! 科学大师的智慧,则可以通过计算尺的神机妙算演绎成传世经典!

  犹太裔物理学家爱因斯坦,1921年诺贝尔物理奖获得者,可谓是一代科学大师。据说,爱因斯坦不仅对小提琴情有独钟,而且对计算尺也是爱不释手。

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1999年爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”(网络图)

  德国著名火箭专家冯•布劳恩,一向被誉为是“现代航天之父”。布劳恩于1955年加入美国国籍,一直从事火箭、导弹和航天研究。1969年,他领导研制的“土星”5号运载火箭,把第一艘载人登月飞船“阿波罗11号”送上了月球。

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“现代航天之父”——冯•布劳恩(图片见水印)

  有资料称,冯•布劳恩的航天生涯,使用的计算尺却是相当简陋的,系德国Nestler公司出品的计算尺。

  科罗廖夫集物理学家、发明家、火箭专家、宇航器专家于一身,是前苏联宇航事业的伟大设计师与组织者。他为苏联航天事业创造了太多的世界第一,他的名字将载入人类宇宙航天进步的史册。

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应用宇宙航行学奠基人——科罗廖夫(图片见水印)

  有资料称,科罗廖夫在设计人造地球卫星和东方号宇宙飞船时,使用的计算尺也是德国Nestler公司出品的。

  如今,人类已进入了一个高度智能化的时代,计算尺早已退出了历史舞台。但是,计算尺还是见证了一个激情时代的科研风貌。

  走近计算尺,去领略那深邃的内涵,传奇的应用,美妙的风景……无疑是一件十分有意义的事情!

  参考文献

  【1】人民日报.《中国核潜艇之父黄旭华:“深潜”30年 为国铸重剑》,科普中国,2017-12-26。

  【2】北京日报.《于敏:惊天的事业 沉默的人生》,科普中国,2016-06-17。

  【3】[美]亨利•波卓斯基.《设计,人类的本性》[M].王芊 等译,中信出版社,2012年版。

  【4】张雄.《数学发现之旅》[M],中国科学技术出版社,2012年版。

  【5】科学美国人.克利夫•斯托尔.《300年辉煌:计算尺传奇》,郭凯声译,环球科学,2006年第6期。

  【6】逸之.《改变世界:没有计算器的日子怎么过——手动时期的计算工具》,https://www.jianshu.com/p/3186b0e225a0, 2015-07-06。

  【7】张劲夫 新华社.《请历史记住他们——关于中国科学院与“两弹一星”的回忆》,共产党员网,1999-05-05。

  【8】共青团中央.《邓稼先逝世30周年 我愿隐姓埋名 以身许国》,共青团中央的博客,2016-07-29。

 

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