淺談計算機科學與技術(shù)與物理學發(fā)展的關(guān)系

張 馳

（大慶實驗中學，大慶 163316）

提及物理，人們很難將它與生活聯(lián)系在一起，更多是想起書本的理論及實驗室中的典型物理模型；而當人們議論起計算機，似乎每個人都有很多話可說，電子商務、影音娛樂、無紙化辦公、在線學習……計算機科學與技術(shù)幾乎已經(jīng)成為了我們生活的一部分。但其實推動計算機科學不斷往前發(fā)展，到如今計算機技術(shù)日益成熟與強大都離不開基礎(chǔ)物理學。

1 計算機的發(fā)展歷史

計算機是20世紀的新發(fā)明，它的歷史還不到一百年，直到1946年第一臺電子數(shù)字式計算機才正式在美國問世。與現(xiàn)在的計算機相比，這臺機器的結(jié)構(gòu)要復雜得多，它用了1.7萬個真空電子管，占地170平方米，重達30噸。就是這樣一個龐然大物，在當時以其高準確度的運算能力征服了全世界，開辟了計算機科學新紀元。

計算機技術(shù)發(fā)展到今天，組成機體的電子器件先后經(jīng)歷了四次飛躍性變革，分別是：電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。伴隨著電子器件的逐步升級，計算機的外觀體積越來越輕便，整機耗電量逐步降低，而且根據(jù)所面對用戶的不同，計算機在功能方面逐步完善，因其優(yōu)越的性能，迅速在辦公、科研、學習、家庭應用方面表現(xiàn)出強勁優(yōu)勢。

2 物理學在計算機科學發(fā)展中的重要地位

2.1 計算機的硬件發(fā)展依托于物理學的基礎(chǔ)科研

物理學在推動計算機硬件發(fā)展方面的基礎(chǔ)地位舉世公認，更是無可取代的。以計算機的主存儲器為例，它就是典型的物理學元件。第一臺計算機的問世所用的電子元件是電子管，但是電子管只能組成環(huán)形電路，卻無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和記憶，數(shù)據(jù)存儲部分成為了當時最大的技術(shù)難題。為了尋找能夠匹配使用的主存儲器，當時人們嘗試了所有可以實驗的物理現(xiàn)象，電、光、聲、磁逐一嘗試，后來才發(fā)現(xiàn)水銀延遲線可用！而它的原理就是物理學上的水銀振動可以發(fā)出脈沖信號，然后再借助額外電路實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。

同樣構(gòu)成計算機的電子元件不斷升級的也是物理學的科研成果，1947，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組研制出鍺晶體管，晶體管的問世直接推動了計算機由電子管向晶體管的新一代跨越。直到今天人們對晶體管的研究從未停止，2016年勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限，將現(xiàn)有的最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，完成了計算技術(shù)界的一大突破。

2.2 計算機本身是物理學理論的綜合產(chǎn)物

從牛頓的微積分、萬有引力定律、經(jīng)典光學理論；再到麥克斯韋的電磁理論，赫茲發(fā)現(xiàn)麥克斯韋預言的電磁波；愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森伯、薛定愕、狄拉克創(chuàng)立量子力學；德福雷斯特發(fā)明對電信號有放大作用的電子三極管。正是由于在物理學這些成熟理論和數(shù)理邏輯的推動之下，人們才開始對計算機技術(shù)開展探索和嘗試，所以物理學的理論為計算機的誕生在理論和技術(shù)上做了充分準備。

在計算機科學不斷進步發(fā)展的過程中，物理學一直都起到非常重要的作用。它不僅揭示出許多非常重要的客觀規(guī)律，幫助人們對世界不斷探索和發(fā)現(xiàn)；而且物理學嚴謹而卓越的思維方式，推動著人類文明不斷開拓與創(chuàng)新，創(chuàng)造出許多璀璨而奪目的智慧瑰寶。

3 計算機對物理學發(fā)展的進一步推動

計算機科學與物理學的密切關(guān)系，表現(xiàn)在它們不僅僅是單方面的促成關(guān)系，而是相互影響，相互作用。

3.1 計算機輔助物理科研快速發(fā)展

人們研究計算機的最初目標就是要將其應用于科學計算，受益于計算機的快速運算能力和高精準確度，物理學的科研發(fā)展速度明顯加快。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，每次實驗都需要記錄大量的數(shù)據(jù)，并對其進行運算，借助于計算機技術(shù)，物理學研究的結(jié)論和猜想可以快速被證實，并且根據(jù)對結(jié)果的比對分析，可以不斷修正猜想，進而得出更為科學的結(jié)論。

3.2 計算機幫助物理教學順利開展

計算機科學的完善功能也為物理教學提供了很多便利，很多經(jīng)典的物理模型，如布朗運動、天體物理、粒子物理等，在普通實驗室難以完成，很多理論理解起來也非常困難，在計算機技術(shù)輔助之下一些仿真系統(tǒng)、動畫視頻都可以幫我們學習物理。

3.3 計算機催生物理研究新領(lǐng)域

物理學是一門非常年輕的前沿學科，隨著科學技術(shù)的不斷進步，物理學在當前領(lǐng)域的研究日益深入，并使得研究的范圍不斷拓寬。以光學為例，在激光技術(shù)和計算機成像技術(shù)的雙重推動之下，物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、微觀動力學的研究取得了突破性進展，為原子物理、分子物理、凝聚態(tài)物理學、分子生物學和化學研究提供了前所未有的新技術(shù)，極大的促進了學科融合與技術(shù)進步。

4 結(jié)束語

計算機科學與技術(shù)和物理學是科學研究的兩個分支，但是同時它們又有非常緊密的聯(lián)系，它們的交叉推動作用又進一步帶動了科學技術(shù)的整體向前進步和發(fā)展。