[科普中国]-微分分析器

微分分析器是主要用数字方法解算微分方程的专用计算装置（机）。11931年研制成功的“微分分析仪”（DifferentialAnalyzer），是第一台被用来解决微分方程的机械式计算机，被认为是电子计算机的先驱。2

微分分析器的研究过程

1930年，美国麻省理工学院和哈佛大学的博士V·布什，在一些工程技术人员的协助下，试制出一台微分分析仪的样机。这台用于计算的装置与现代的计算机很不一样，它没有键盘，占地约几十平方米，看起来有点像台球桌，又有点像印刷机。分析仪有几百根平行的钢轴，安放在一个桌子一样的金属柜架上，一个个电动机通过齿轮使这些轴转动，通过轴的转动来进行数的模拟运算。

参观过分析仪的人说，操作者要“一手拿一个扳手，另一只手拿一个齿轮”。即使用者必须手持改锥和锤子来为分析仪编制程序。在试制出第一台样机后，布什又采用电子元件来取代某些机械零件。但总的来说它仍然是一台机械式的计算装置，它就是“洛克菲勒微分分析仪2号”。在第二次世界大战中，美军曾广泛用它来计算弹道射击表。

电子模拟计算机和后来数字电子计算机的出现，使机械模拟计算装置完全无用了。布什研制的分析仪后来被麻省理工学院及伦敦科学博物馆收藏起来。

范内瓦·布什介绍1913年，美国麻省理工学院教授范内瓦·布什（V·Bush）领导制造了模拟计算机“微分分析仪”。机器采用一系列电机驱动，利用齿轮转动的角度来模拟计算结果。

范内瓦·布什（VannevarBush），这位具有6个不同学位的科学家、教育家和政府官员与本世纪许多著名的事件都有着千丝万缕的联系，其中包括“"曼哈顿计划”、硅谷、国际互联网等。倒转信息时代的时钟，无论你审视信息技术发展史的哪个领域，范内瓦·布什都是在那里留下过足迹的具有远见的先驱性人物。正如历史学家迈克尔·雪利（Michael Sherry）所言，“要理解比尔·盖茨和比尔·克林顿的世界，你必须首先认识范内瓦·布什。”正是因其在信息技术领域多方面的贡献和超人远见，范内瓦·布什获得了“信息时代的教父”的美誉。

布什的一生与麻省（兼指马萨诸塞州和麻省理工学院）结下了不解之缘。1890年3月他出生于美国马萨诸塞州的埃弗尔内特（Everett），在为科学和教育事业贡献了一生之后，布什于1974年6月在马萨诸塞州的贝尔蒙特（Belmont）逝世。从1919年起直到1971年，布什长期在著名的麻省理工学院（MIT）工作和教学。从1930年开始，在MIT担任电子工程学教授的布什和一个研究小组开始着手设计能够求解微分方程的“微分分析机”的工作，造出世界上首台模拟电子计算机。这一开创性工作为二战后数字计算机的诞生扫清了道路。40年代早期，作为罗斯福总统的科学顾问，范内瓦·布什组织和领导了制造第一颗原子弹的著名的“曼哈顿计划”。其后，他先后参与了从氢弹的发明、登月飞行直到“星球大战计划”的众多重大的科学技术工程。美国政府依据布什的建议和构想批准成立的国家科学基金会（NSF）和高级研究规划署（ARPA）等科研机构保证了美国在尖端科技领域的长期领先地位。

在信息产业领域里，范内瓦·布什更是功勋卓著。美国国内两个著名的高科技工业园区——加州的“硅谷”和波士顿128号公路的“高科技走廊”的诞生都凝结了布什的心血。被人称为“硅谷之父”的弗雷德里克·特曼在MIT获得电子学博士学位的导师不是别人正是布什。1939年诞生的惠普公司是特曼的胜利，也是布什的胜利。从此范内瓦·布什的名字与硅谷结下了不解之缘。

1945 年，VannevarBush在"AtlanticMonthly"7月号发表了一篇名为"AsWe May Think"的文章。文章描述了一种被称为MEMEX的机器，其中已经具备今天的超文本和超连接概念。他因此而被称为互联网先知。

MEMEX：Vannevar Bush的著作"As We May Think"中所描述的机器，以下引用。

未来的计算机将是用电的。他们会比今天的机器快一百倍甚至更多。重复的思维过程不仅限于计算与统计，实际上，商业事务以及不断扩张的市场都在等待大批量制造的计算机的问世，它们中的一些将能满足现在文明最挑剔的要求。

考虑一下未来个人使用的设备，它将是一个机械化的个人图书馆，它需要一个名字引起人们的注意："MEMEX"就可以。MEMEX是这样一个机械化设备，人们可以在其中存储书籍、记录和信件，同时可以以很高的速度和极强3的灵活性完成检索。作为辅助设备，它是人脑的无限扩大。

MEMEX有一个倾斜的半透明的屏幕，资料可以投影到上面进行阅读，还有一个键盘，一系列按钮和把手。

它的一端是存储的材料，体积问题由于采用了改进的微缩胶片而得到了很好的解决。

MEMEX的大部分内容都是直接买来的，可以直接插入。

各种书籍、图片、期刊、报纸都可以这样得到并插入进行阅读，商业信函也可以，而且还备有直接输入的设备。

当然还有用于咨询的记录，它们来自于日常的索引工作。如果用户想从一本书中查找资料，他只需在键盘上轻轻敲出这本书的代码，书的封面就马上会投射到他面前的浏览器上。此外，他还有一个额外的"游标"可以使用，把这个游标拉到右边，这本书就在他面前一页页地投射出来，速度正好可以让人清晰地浏览每一页。再向右拉一下，浏览的速度就可以变成每次10页，再过去一点就是每次100页。还有一个键可以让用户直接回到索引的第一页。

如果在检索时有一种更直接的方法，能进行联系索引，就会方便许多，这就是MEMEX的基本概念：对两个条件进行并行检索是一个重要的要求。用户创建一个轨迹时，他必须指定一个名字，插入到他的代码本中，并且可以在键盘上将其调出。

这样，不论何时，只要这些条目中有一个显示出来，就能调出相关的条目。

完全新式的百科全书也将出现，互相联系的"轨迹"贯穿其中。专利律师可以轻松查找成千上万个已经发布的专利，外科医生可以参考解剖学书籍，历史学家也可以拥有大量的个人年表。

将会有一种新的职业出现，那就是"轨迹制作者"，他们会从大量普通的材料中构造有用的"轨迹"并从中感受快乐。大师们的遗产将不只是他个人贡献给世界知识宝库的东西，而将成为人类共享的整体的知识框架。这时候，人们将可以通过它们制作、存储、检索人类的所有记录。

畅想未来更壮观的工具很有吸引力，而研究现在已知的或正在快速发展的方法和部件会很枯燥。预测是很困难的，但根据当前的情况进行预测，就更能说出其可能性，而不只是预言，还可以是一个建议，因为基于已经存在的情况进行的预言更有效，不像是基于未知的预言那样只是猜测。

模拟计算机电脑在当时仍属稀有，人们对于问题的解决方案通常是写死在表格纸上（像是曲线图和列线图解），用来一并解决相似的问题，比如说暖气机里的温度和压力分布。

卡方分布的列线图解二次大战之前，当时的最高科技是机械式和电动式的模拟计算机，也被认为是前途光明的计算机趋势。模拟计算机使用连续变化的物理量，像是电势、流体压力、机械运动等，处理表示待解问题中相应量的器件。例如在1936年制作得相当精巧的水流积算器（Water Integrator）。跟现代的数位电脑比起来，模拟计算机相当不具弹性，必须手动装配（像是重新改编程序）才能处理下一个待解问题，不过早期的数位电脑能力有限，无法解决太过复杂的问题，所以当时的模拟计算机还是占有优势。直到数位电脑越来越快，拥有越来越强的记忆能力（像是RAM）之后，模拟计算机就迅速受到淘汰，程序设计从此成为人类另一项专业技能。

诺顿轰炸机瞄准器部分类比电脑广泛应用在军事瞄准用途，像是海军船舰上的诺顿轰炸机瞄准器（Norden Bombsight）和火力控制系统（Fire-Control System），有些器件甚至直到二战结束数十年后仍未退役，其中一个例子就是由美国海军开发的马克一号火力控制电脑（Mark I Fire Control Computer），从驱逐舰到战列舰都看得到它的影子。

1930年，现代电脑之父万尼瓦尔·布什发明微分分析器（Differential Analyzer），模拟计算机科技至此达到顶峰，大部分的零件都已经被制造出来，终于，宾夕法尼亚大学的摩尔电机工程研究所（Moore School of Electrical Engineering）打造出最具影响力的数位电子计算机──电子数值积分计算器（埃尼阿克）。埃尼阿克的诞生终结了大部分模拟计算机的生路，不过从1950年代到1960年代，由数位电子学控制的混合型模拟计算机依然活跃，之后模拟计算机就应用在部分专业用途上。

计算机与数字图书馆在第二次世界大战中，布什曾启用自己十多年前在MIT时发明的模拟式计算机——大型微分分析仪——来帮助计算炮弹弹道，并通过弹道实验室强力地资助了美国最早的数字式计算机的研究，这在客观上催生了计算机时代的来临。

关于谁是第一台数字化电子计算器的发明者问题，在美国计算机界纷争了多年。相当一部分人认定由莫齐利和埃克特1943年在弹道实验室完成的“爱尼亚克”（ENIAC）计算机是世界上第一台电子数字计算器，但也有不少人认为当年在衣阿华大学执教的阿塔纳索夫和贝利(C.Berry)发明的ABC（Atanasoft-BerryComputer）计算器，才是真正的数字计算机的“鼻祖”。为此，1973年10月，好诉讼的美国人在明尼苏达州的一家地方法院，经过多达135次开庭审理后，当众宣判了这桩有关计算机发明权的知识产权案，判决书最后认定莫齐利和埃克特没有发明第一台计算器，只是利用了阿塔纳索夫发明中的构思。

用法律判决来还“电子计算机之父”的本来面目真可谓是美国人的一大发明！但判决书并不能代替历史事实。综合种种历史客观证据，可以这么说，阿塔纳索夫的ABC模型机正好处于模拟计算与数字计算的门槛上，从ABC开始，人类的计算才从仿真向数字挺进，而“爱尼亚克”则标志着计算器正式进入了数字时代。这两个机器的产生过程中都有布什的身影存在，前者在于思想启发方面，后者则在强大的经济资助方面。

当年布什在MIT任教时期研制计算机的初衷，如前文所述，也是为了求解与传输电路有关的微分方程。那时为了求出一个方程的解，演算工作量大得惊人，常常或冥思苦想好几个月，或浪费掉几百张草稿纸也仍然得不出答案。有一天他突然感觉到，与其再想下去，不如制作一台模拟计算装置帮助求解更合算。于是从1930-1931年，布什带领一批年轻工程师在MIT完成的一台“大型”计算机器。说它是“大型机”并不为过，因为这台机器自重就超过了100吨，装备着数百根平行的钢轴，需要用一系列电动机驱动。仅机器内部的电线，若首尾排列起来就长达200英里。一个参观过微分分析仪的人曾挖苦说，布什必须“一手拿扳手，一手拿改锥”才能操作机器进行计算，但当时它却让麻省理工学院的科学家们兴奋不已，因为他们从此有了求解数学难题的有力武器。

当然，直接启发了阿塔纳索夫最初灵感的布什所发明的微分分析仪，只是一种模拟式计算机。所谓模拟，指的是它利用齿轮转动的角度来模拟计算结果，与莱布尼茨乘法器的原理类似，它还不是真正意义上的数字计算机。布什发明的这种机器当时至少被人仿造出5台，在二战中曾帮助英国计算德军V-2导弹的弹道表，战功卓著。现今在麻省理工学院和伦敦博物馆里，还各收藏着一台不太完整的这种机器，但都已不能正常运转了。

布什在战争即将结束的1945年7月，在美国极有影响力的杂志《大西洋月刊》上发表了一篇题为“似乎我们可以思维”的论文，[8]题目中的“我们可以思维”实际上指的是“我们可以用来机器思维”。文中他整理和阐述了自己多年来关于使用微缩胶片、声音等多媒体方式存储和处理信息资料、达到帮助人类思维目的的思想。该杂志的编者当时在给布什的论文所加的编者按中写道：

“作为OSRD的主任，布什博士曾协调了超过6000名的美国顶尖科学家们把科学应用到战争事务的活动，在这篇具有重大意义的论文中，他又激励科学家们投入战后的新知识领域。多年来大量的发明创造极大地扩展了人类的物质能力，远超过对心智能力的提升。榔头胜过拳头，显微镜锐利了眼睛，工具如今就在手上，如果加以妥善发展，将给人类铺就利用各时代知识遗产的通途。布什博士通过本文呼唤思考着的人类与我们知识总积累间的一种新型联系。”

布什在文中指出，二次大战中，科学情报在大规模军事研究和开发工作中起到了过功不可没的作用，在战后的科学研究和发展中肯定仍有不可轻视的重要意义。文中他还首次提出将传统的图书馆馆藏文献的储存、查找机制与计算机结合起来，构思并描述了他所设想的一种称为Memex（有人译作“记忆扩展机”，也有人译作“超文本存储器”。本文从后者）的设备，其本质是机械化的个人文档与图书馆，即台式个人文献工作系统，能存贮书、记录和通讯的综合装置。美国的Ted Nelson在60年代正式提出超文本（Hypertext）的概念。进入90年代，随着多媒体技术与互联网络技术的发展，超文本的应用更加广泛，信息组织与管理的超文本化成为信息传递的基本形式。

今天，随着计算机技术、通信技术、高密度存贮技术和多媒体技术的飞速发展，原有各种物理载体所存储和传输的信息，正在逐步数字化，电子图书大有取代纸介质的书、数字图书馆大有取代传统图书馆的趋势。而数字化图书馆的构想就始于布什在这篇论文中所论述的思想，这使他成为人们公认的这一领域的预言者和先驱。

微分分析器的特点数字微分分析器的优点是仪器设备不复杂，课题编排（程序）比较简单，能与数字和模拟系统结合；缺点是运算速度较低。因此，它主要用于解算自动控制缓慢流程的课题，例如，飞机自动导航系统，其中包括军用的。1

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所