物理学与计算机科学发展的相互作用

物理学与计算机科学发展的相互作用

自地球上出现人类开始，人类就不断地认识自然， 理解自然，揭示自然的运动、发展和变化的规律，因此就诞生了一门学科——物理学，来专门认识、研究、改造自然。物理学在近300年中的不断发展，尤其是电磁学的飞速发展，使得物理学家具备了发明计算机的物理学理论基础。计算机的诞生是物理学理论发展的必然结果，计算机科学是人类最杰出的科学成就，。计算机科学的发展已经成为现代物理学的发展变革的前提。

1. 物理学的发展对计算机诞生的作用

1.1计算机诞生的理论基础

伟大的英国物理学家牛顿发现了万有引力定律，发明了微积分，提出了牛顿三大运动定律，创立了经典光学理论，建立了牛顿经典力学大厦; 安培、法拉弟、麦克斯韦创立了电磁理论， 赫兹发现了麦克斯韦预言的电磁波，使得电磁学的理论基本建立; 爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克创立了量子力学，给物理学打开了一扇黑暗的大门，成为现代物理学发展的基础; 德福雷斯特发明了对电信号有放大作用的电子三极管，成为计算机的诞生提供硬件支持的理论。

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN 结，组成一个PNP （或NPN ）结构。中间的N 区（或P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B 、发射极E 和集电极C ，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。 1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱利博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体管把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。另外，这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。

自牛顿去世到1943 年， 全世界物理学家经过200 余年的不断努力， 在数理逻辑和物理学的电磁理论、量子力学、半导体理论等方面获得了的巨大成功， 为计算机的诞生在理论和技术上作好了充分的准备。

1.2物理学是计算机硬件的基础

1944 年， 美国国防部门组织了两位物理学家, 莫克莱与埃克特领导的200 多位专家研制小组, 经过两年多的艰苦劳动, 于1946年2月15 日, 在美国的宾夕法尼亚大学里研制出

了人类的第一台电子管数字积分计算机ENIAC 。1947 年, 美国的巴丁等几位科学家研制出了既小又可靠, 并且不会变热, 结构单一的晶体管。1953 年, 德克萨斯仪器公司和仙童公司都宣布研制成第一块集成电路。1954 年, 德克萨斯仪器公司首先宣布建成了世界上第一条集成电路生产线。随后美国贝尔实验室制成第一台晶体管计算机。

随着物理理论的逐渐完善和计算机科学理论的建立和计算机硬件发展，计算机先后经历了四个阶段的发展，详见表一，每一个发展都是物理学为计算机技术提供了硬件支持。

表一 计算机发展阶段划分及特征表

2. 计算机科学在现代物理学中的作用

2.1计算机在处理现代物理实验数据作用

众所周知，物理学是一门以实验为基础的学科，但是物理学家们用传统的纸笔计算统计方法来处理大型的杂乱无章的实验数、，观察记录数据的时候就显得很困难了。如著名的物理学家开普勒在16世纪末研究了第谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录，花了近30年的时间才提出了行星运动的开普勒三大定律。现在物理学的实验数据、观测数据因为有计算高速准确的处理数据，大大提高物理实验结论的准确的和及时性。

随着计算机软件技术的发展，物理学家和计算机软件开发者开发了很多软件来处理物理实验数据软件，如EXCEL ，ORIGIN ，MATLAB 。计算机来处理实验数据不仅可用计算机准确快速地处理实验数据，还可以用计算机实现实验数据的实时采集和处理。 在近代物理实验中将新技术与实验相结合，把计算机接口技术引入到实验中， 用计算机直接处理由接口采得的数据， 可以提高实验的效率，增加实验的精确度。计算机具有快速的计算能力和丰富的图形处理能力以及它的可编程性，用程序可对实验进行控制， 用计算机来采集测量、储存

数据， 并在显示屏上显示实验曲线。物理学家们在实验中不仅可以对实验本身进行研究， 对不同条件下的测量值进行对比分析， 可以为物理现象的探究和实验的准确验证提供准确的实验基础。

2.2计算机在物理学上的计算作用

物理学的理论研究少不计算。但是有很多的物理计算很庞大和不能计算，只用计算高速的计算能力，反复的地计算来无限逼近我的需要的结果，如求解高次的方程，这有大大地提高了计算的速度和计算的准确性。

在物理火箭工程动力学家中，因为不断地要求火箭不断变换轨道，需要对火箭的速度不断改变，从才能防止别人来拦截火箭或者破换火箭，同时也要要求火箭精确的发射降落的预定的目标，就不断的需要进行微分方程分计算。这种如果依靠人力开计算的话是完全不可能实现这样的计算的，计算的高速运算能力就是这种情况提供了解决能力。当初计算机的发明就是威力单纯地来解决这样的运算的，极大地推经了现代物理学的发展进程。

计算的机高速计算能力对于物理理论研究, 复杂的数学推导和数值计算、绘制函数曲线曲面, 函数极值、函数零点、函数的极点的都能相对轻松地完成，因此物理学家可将主要精力放在寻找物理系统运动规律和物理量本质意义上，不必来担心数学计算能力的脱节。

2.3计算机仿真运动在物理学上的作用

物理学中研究物体运动时，在许多场合需要用计算机仿真技术准确表现出物体运动的规律，如物理学家用计算仿真火箭在太空中的运动规律，仿真大型游轮在高速流速场的运动规律。一些常用的开发软件如3DMAX ，FLASH 等，物理学家们往往不能自由控制物体的运动，因而可以使用编程的方法来制作多媒体动画，这样可以严格按照物体的运动规律产生准确的物体运动的效果，从而避免建立一些大型试验室和购买大型实验设备，也加快物理学研究的多元化和准确性，便捷性。

3. 物理学对计算机未来发展的影响

3.1黑洞计算机①

对一名物理学家来说，所有自然系统都是计 算机。岩石、原子弹及星系可能不运行Linux 程序，但它们也记录和处理信息。每个电子 、光子及其他基本粒子都存储数据比特值。

粒子无论何时发生相互作用，都会引起彼此取向的翻转。这一过程可以借助于诸如C 或 Java 等编程语言来想像：粒子就是一些变量，它们的相互作用就是诸如加法等运算行为。 每一比特信息在每秒钟内能翻转10*20次，这等效于时钟速度为100GG 赫兹。事实上，系统 变化太快，不能由中心时钟来控制。将一个数位比特翻转所用时间，近似等于从一个数位 将信号传送到相邻数位的时间。因此，极端便掌上计算机是高度平行运作的：它的运行不 像单一处理器，而是像多个处理器的一个巨大阵列；每个处理器的工作几乎独立，并将其 运算结果传送到其他相对较慢的处理器上。

黑洞计算机只要将数据以物质或能量的形式编码 ，然后投入到黑洞内即可实现实际计算。通过适当制备投入黑洞的物质材料，黑客将能够为黑洞执行任 何所需要这样，计算机① 出自：晨风. “荒诞不经”的黑洞计算机.[J]科学大观园. 2006年第18期. p74

的计算能力将大于万亿次每秒，成为真正的极速计算机。

3.2量子计算机②

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统，量子计算机的变换包括所有可能的玄正变换。 量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。

量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。

总结：近代物理理论的建立和发展，使得物理学家发明了计算机。从计算机发展的历史看, 它的每一个阶段都是以物理学的发展作为基础的，随着计算机技术日新月异的发展, 计算机系统不仅为物理学的统计计算带来了便利, 也将不断地影响物理学的研究方法, 为物理学的快速发展提供强大的动力。物理学的高速发展，也必将影响计算机的发展，使得人们研制出能体积更小，计算能力更快的计算机。总之，物理学与计算机科学相辅相成， 相互促进，相互影响，使得人们更好的去生活。

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[4]. 田凯； 王宁. 计算机在大学物理实验数据处理中的应用初探. [J]科技信息.2010年第3期

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[5]. 晨风. “荒诞不经”的黑洞计算机.[J]科学大观园. 2006年第18期. p74-76

[6]. 莫露洁； 颜源. 量子计算机与经典计算机的比较. [J]电脑应用技术 2008年第02期.p26

② 出自：莫露洁 颜源. 量子计算机与经典计算机的比较. [J]电脑应用技术 2008年第02期.p26