浅谈计算机科学与技术与物理学发展的关系

2018-03-26张驰

数字通信世界 2018年12期

张驰

（大庆实验中学，大庆 163316）

提及物理，人们很难将它与生活联系在一起，更多是想起书本的理论及实验室中的典型物理模型；而当人们议论起计算机，似乎每个人都有很多话可说，电子商务、影音娱乐、无纸化办公、在线学习……计算机科学与技术几乎已经成为了我们生活的一部分。但其实推动计算机科学不断往前发展，到如今计算机技术日益成熟与强大都离不开基础物理学。

1 计算机的发展历史

计算机是20世纪的新发明，它的历史还不到一百年，直到1946年第一台电子数字式计算机才正式在美国问世。与现在的计算机相比，这台机器的结构要复杂得多，它用了1.7万个真空电子管，占地170平方米，重达30吨。就是这样一个庞然大物，在当时以其高准确度的运算能力征服了全世界，开辟了计算机科学新纪元。

计算机技术发展到今天，组成机体的电子器件先后经历了四次飞跃性变革，分别是：电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模和超大规模集成电路。伴随着电子器件的逐步升级，计算机的外观体积越来越轻便，整机耗电量逐步降低，而且根据所面对用户的不同，计算机在功能方面逐步完善，因其优越的性能，迅速在办公、科研、学习、家庭应用方面表现出强劲优势。

2 物理学在计算机科学发展中的重要地位

2.1 计算机的硬件发展依托于物理学的基础科研

物理学在推动计算机硬件发展方面的基础地位举世公认，更是无可取代的。以计算机的主存储器为例，它就是典型的物理学元件。第一台计算机的问世所用的电子元件是电子管，但是电子管只能组成环形电路，却无法实现数据的存储和记忆，数据存储部分成为了当时最大的技术难题。为了寻找能够匹配使用的主存储器，当时人们尝试了所有可以实验的物理现象，电、光、声、磁逐一尝试，后来才发现水银延迟线可用！而它的原理就是物理学上的水银振动可以发出脉冲信号，然后再借助额外电路实现声电转换。

同样构成计算机的电子元件不断升级的也是物理学的科研成果，1947，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组研制出锗晶体管，晶体管的问世直接推动了计算机由电子管向晶体管的新一代跨越。直到今天人们对晶体管的研究从未停止，2016年劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，将现有的最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm，完成了计算技术界的一大突破。

2.2 计算机本身是物理学理论的综合产物

从牛顿的微积分、万有引力定律、经典光学理论；再到麦克斯韦的电磁理论，赫兹发现麦克斯韦预言的电磁波；爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定愕、狄拉克创立量子力学；德福雷斯特发明对电信号有放大作用的电子三极管。正是由于在物理学这些成熟理论和数理逻辑的推动之下，人们才开始对计算机技术开展探索和尝试，所以物理学的理论为计算机的诞生在理论和技术上做了充分准备。

在计算机科学不断进步发展的过程中，物理学一直都起到非常重要的作用。它不仅揭示出许多非常重要的客观规律，帮助人们对世界不断探索和发现；而且物理学严谨而卓越的思维方式，推动着人类文明不断开拓与创新，创造出许多璀璨而夺目的智慧瑰宝。

3 计算机对物理学发展的进一步推动

计算机科学与物理学的密切关系，表现在它们不仅仅是单方面的促成关系，而是相互影响，相互作用。

3.1 计算机辅助物理科研快速发展

人们研究计算机的最初目标就是要将其应用于科学计算，受益于计算机的快速运算能力和高精准确度，物理学的科研发展速度明显加快。物理是一门以实验为基础的科学，每次实验都需要记录大量的数据，并对其进行运算，借助于计算机技术，物理学研究的结论和猜想可以快速被证实，并且根据对结果的比对分析，可以不断修正猜想，进而得出更为科学的结论。

3.2 计算机帮助物理教学顺利开展

计算机科学的完善功能也为物理教学提供了很多便利，很多经典的物理模型，如布朗运动、天体物理、粒子物理等，在普通实验室难以完成，很多理论理解起来也非常困难，在计算机技术辅助之下一些仿真系统、动画视频都可以帮我们学习物理。

3.3 计算机催生物理研究新领域

物理学是一门非常年轻的前沿学科，随着科学技术的不断进步，物理学在当前领域的研究日益深入，并使得研究的范围不断拓宽。以光学为例，在激光技术和计算机成像技术的双重推动之下，物质微观结构、微观动力学的研究取得了突破性进展，为原子物理、分子物理、凝聚态物理学、分子生物学和化学研究提供了前所未有的新技术，极大的促进了学科融合与技术进步。