淺談物理學對計算機科學發展的影響

楊世博

摘 要：現今，計算機發展迅速，電子商務、電子政務、網上辦公、網上學習和網上娛樂等活動應用普遍，這些依附于計算機發展而實現的功能給人類工作、生活、學習帶來了翻天覆地的變化。作為理科基礎學科的物理學在計算機的發展過程中究竟扮演著怎樣的角色？本文將就計算機發明的背景和物理學對計算機科學發展的影響展開論述。

關鍵詞：物理學 計算機 背景 網絡 量子信息

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）06-0152-01

物理學作為一門基礎學科，一直是我們高中生（特別是理科生）學習的重點。但很多同學在接觸物理過程中，認為學物理是無用的，因為其好像對我們的個人生活并沒有什么實際性的幫助，反而因為難度較高造成了很大的學習壓力，殊不知計算機與物理學存在著不能割裂的聯系，已成為我們生活中不可缺少的一部分。

一、計算機發明的背景及其發展歷程

物理學是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及計算機所使用的實驗手段和思維方法的自然科學，它是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結的一門學科。物理學的影響深遠，這是因為物理學的突破時常會造成新科技的出現，物理學的新點子很容易在其它學術領域產生共鳴。例如，在電磁學上的進展，直接地導致了發電機的產生，使電力的大規模生產與傳輸成為現實，大幅度地提升了整個社會的生活水平。計算機這一偉大發明就是在人類不斷的認識世界，發現自然界規律的的背景下產生的。

自1946年第一臺計算機發明以來，計算機雖然只經過了幾十年的發展，但計算機已經經歷了占地面積大、速度慢、儲存量小，主要用于數據計算的第一代計算機——電子管計算機；以磁芯或磁鼓作存儲器，開始用于數據處理和過程控制的第二代計算機——晶體管計算機；主存儲器漸漸過渡到半導體存儲器并且主要部件變成中小規模集成電路的第三代計算機——中小規模集成電路計算機；體積縮小、性能提高、集成更高的并開始廣泛用于各種領域的第四代計算機——大規模和超規模集成電路計算機。現在，人類已經迎來了計算機、網絡、通信技術三位一體的具有人工智能的第五代計算機時代，可以說，在計算機發展的每一個階段，物理學都留下了不可磨滅的印記。

二、物理學對計算機發展的影響

1.第二次科技革命中最具代表性的即是奧斯特的“電磁感應”現象的發現，該發現為發電機和電動機的制造創造了可能性，之后法拉第的“電磁感應定律”更是為發電機的發明和投入使用奠定了堅實的基礎，使人類迎來了區別于以往的新能源。同時從電磁感應實驗以及應用物理理論研究到電氣化時代的到來，電力成為了新型主要的能源，電力設備也逐漸的發展起來[1]，計算機就是在電力的支撐下才有了發展的可能。計算機等電力設備產生的前提是電力的存在，并且它們賴以工作的前提也是充沛的電力，可以說，計算機賴以存在的首要前提便是物理學中電力的發現。

2.現今，如果問影響人類最廣泛的計算機功能是什么？很多人會毫不猶豫的選擇網絡。網絡不僅拉近了人與人之間的聯系，而且因為資源的共享使生活更加便捷、工作更加科學。那究竟網絡是怎樣實現的，它又與物理學有那些聯系呢？網絡就是通過線路互連起來的、資質的計算機集合，確切的說就是將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，并配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。網絡傳輸需要介質，網絡常用的傳輸介質有：雙絞線、同軸電纜、光纖、無線傳輸媒介等，這其中無論是金屬導體還是光纖導體，都離不開其物理性能的開發，其本身存在的物理性能是支撐網絡傳輸的基礎。并且隨著計算機制造業的大力發展，更是將計算機網絡硬件的可靠性及性價比推向一個新的高峰[2]，這種現狀下計算機硬件的改革與創新也不斷開展，物理作為支撐硬件發展的物質和性能基礎任務還很巨大。

3.進入21世紀，更多的高新物理技術也不斷的應用到了計算機的革新之中。量子納米科學就與計算機緊密相關，量子納米材料在化工、醫藥、建材等領域已經有了很多應用，而量子納米結構的電子、光子和微機械將成為下一代量子微電子和光電子器件的核心，通過與通訊技術和計算機技術的緊密聯系，勢必在21世紀引起一場新的技術革命。除此外，量子信息也給計算機架構體系帶來變革，它涉及到如何從物理學的角度，從物質層面上深入理解什么是信息，什么是物質，能量和信息關系等基礎性問題。并且，量子信息作為利用量子態作為信息載體進行信息儲存、處理、計算和傳送的一門學科，它能完成經典信息系統難以勝任的高速計算、大容量信息傳輸通訊和安全保密等的信息處理任務[3]，對計算機的發展意義重大。

計算機已經經過了70多年的發展歷程，不管是僅僅實現計算功能的第一代計算機，還是現在功能多樣，廣泛普及的第五代計算機，其發展的前提都離不開新物理技術的創新和新物理材料的發現。現今，在計算機向系統巨型化、體積微型化、資源網絡化和功能智能化前行的道路上，物理學作為推動社會發展的基礎學科，還將用其獨特的魅力發揮重要的作用。

參考文獻

[1]楊淑鳳，張元元. 物理學與人類文明進步[J]. 成人教育，2010，（06）：75-76.

[2]姜山峰，劉濤. 計算機網絡技術的原理及發展趨勢[J]. 價值工程，2013，（36）：217-218.

[3]我國物理學與其它科學交叉的現狀、問題及對策[J].中國科學院院刊，2006，（04）：270-273.