搞“两弹一星”也离不开计算尺

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        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？

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）

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！

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 

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。

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。

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。

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。

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。

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。

  

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！

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。

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。

“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。

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！