信息技術教材中的科學史探秘之一
信息技術課程的背后有科學!計算機科學和信息科學曾在科學史上開出了無數絢爛的花朵,留下了無數動人的科學篇章。科學史上同樣有謎團,探尋這些謎團的過程將是一次激動人心的科學探索之旅,請跟隨我們:聆聽科學故事、領悟科學人生、揭示科學奧秘、提升科學品位。
后期預告:探密之二《計算機究竟是誰發明的》,之三《存在統一的信息概念嗎》,之四《圖靈測試能證實人工智能的存在嗎》,之五《人機對弈體現了機器具有智能嗎》,之六《互聯網是如何發明的》,之七《摩爾定律還有效嗎》。敬請關注!
高中信息技術教材(浙教版)中提到二進制是被譽為“西方文明最偉大的人物之一”的德國數學家萊布尼茨(1646~1716)提出的,而翻閱種種計算機科學史的書籍,都會提到萊布尼茨發明二進制是受到了中國古代《易經》的啟發。既然二進制是現代計算機的基礎,那么《易經》也就成為了計算機的源頭。而事實究竟如何呢?
一般認為萊布尼茨提出二進制的經過
按照一般的敘述,萊布尼茨提出二進制的經過大致如下。出于對中國文化的興趣,萊布尼茨在17世紀后半期保持了和在華的法國傳教士白晉的通信往來。1703年,萊布尼茨收到白晉寄自中國的信箋,其中有中國宋代畫家邵雍繪制的一件易圖。萊布尼茨發現,如果將八卦中的陰爻和陽爻分別換成0和1,那么易圖中排列的六十四卦與二進制中0到63這六十四個數字的計法完全一致。在這幅圖的啟發下,萊布尼茨提出了二進制的設想。而在二百多年后,二進制成為了現代計算機的基礎。因此,有人認為《易經》成為了計算機的源頭,并感嘆為什么我們中國人沒有好好地發展《易經》八卦的思想。那么,事實的背后究竟如何呢?

萊布尼茨提出二進制的實際過程
按照上面的說法,萊布尼茨在1703年收到白晉寄自中國的易圖,并據此提出了二進制,同年發表了《論二進制算術》一文。而實際上萊布尼茨見到易圖以及提出二進制的時間都要早很多。首先,萊布尼茨早在1679年就撰寫了《二進制算術》的論文草稿,文中對二進制算術作了相當詳細的討論,不但給出了由0和1表示一切數的規則,還規定了加、減、乘、除四則運算,并與十進制進行了比較。這表明此時的萊布尼茨已經建立了二進制,雖然尚未公開發表。其次,在萊布尼茨提出二進制之前,他也確實看到并了解了中國古老的《易經》及八卦,但卻并不是白晉給出的邵雍的易圖。對歐洲現存17世紀中西交流文獻的考證表明,早在1658年,意大利傳教士衛匡國就在德國出版了《中國上古史》,里面詳細介紹了《易經》及太極八卦的演化過程。此外,當時還有一些其他在歐洲出版的有關中國的書籍中都有《易經》的介紹,萊布尼茨在與友人的通信中也涉及了這些內容的討論。可見,萊布尼茨在見到邵雍的易圖之前已經了解了《易經》及八卦。
筆者認為,萊布尼茨提出二進制在白晉寄來邵雍的易圖之前,但是在萊布尼茨思考并建立二進制的過程中,他了解并且從中國古老的《易經》及八卦中攝取了靈感。但這些都不是問題的本質,問題的本質是萊布尼茨建立的二進制與現代計算機有聯系嗎?
萊布尼茨提出的二進制與現代計算機有聯系嗎
要回答這個問題,首先要清楚萊布尼茨提出二進制的目的是什么?我們知道,萊布尼茨終身致力于尋找一種真正的符號系統,來包含人類的全部思想。而二進制能用兩個數字推導出整個算術系統,萊布尼茨相信二進制進而也可以產生出整個宇宙。正如他自己在《通向一種普遍文字》中所說的:“我這里不打算論述這種體系(二進制)的巨大用處,只要指出所有的數通過一和無的方式加以表達是何等美妙就足夠了?!?br/> 歸根結底,萊布尼茨提出二進制的主要目的還是在哲學,甚至是神學上的,因為它說明了整個宇宙如何可以看成是由數所構成的。我國學者劉鋼則認為二進制對萊布尼茨而言更像是個游戲,沒有任何實用價值,更和現代計算機沒有任何聯系。至于現代計算機問世以后,由于萊布尼茨提出的二進制成為了基礎,萊布尼茨本人也被認為是計算機的主要奠基人,則屬于“事后追認先驅”的典范。
將二進制與現代計算機聯系起來的關鍵人物是誰
在20世紀現代計算機誕生的過程中,有兩位科學家為將二進制作為計算機的基礎作出了重要貢獻,他們是美國科學家香農(1916~2001)和被譽為“電子計算機之父”的美籍匈牙利科學家馮·諾依曼(1903~1957)。
1938年,香農在其碩士論文《繼電器與開關電路的符號分析》中,比較了開關電路與二進制數碼之間的相似性,提出了把二進制符號中的“1”和“0”與電路系統的“開”和“關”對應起來的設計方向。這奠定了數字電路的理論基礎,哈佛大學的Howard Gardner教授說:“這可能是20世紀最重要、最著名的一篇碩士論文?!?br/> 1945年,馮·諾依曼在其主持的EDVAC計算機方案中首次將二進制作為計算機的設計思想(第一臺計算機ENIAC采用的是十進制),大大簡化了機器的邏輯線路,奠定了計算機的重要基礎,一直沿用至今。

由上可知,二進制的正式提出者確實是萊布尼茨,并且在此過程中受到了來自中國古老的《易經》的啟示,但并非直接由易圖演化成二進制,并且萊布尼茨提出二進制也與現代計算機毫無關系。而真正為現代計算機中二進制思想奠基的則是20世紀的香農和馮·諾依曼。