從算盤到密碼機：英國博物館裡的數學進化簡史

由建築界「女魔頭」伊拉克裔英國女建築師扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）設計的倫敦科學博物館 「溫頓數學館」（Mathematics: The Winton Gallery）日前向公眾開放，它收集了100多件世界級的科學、技術、工程和數學等方面最具標誌性的歷史用具，包括算盤、密碼機以及早期計算機等，揭示了數學進化簡史。

漢德利·佩季(Handley·Page)公司Gugnunc飛機

溫頓數學館大廳的正中懸掛著漢德利·佩季(Handley·Page)公司的Gugnunc飛機。它被生產於1929年，當時正處於改善飛機安全性能的激烈競爭中。這種飛機引入了突破性的空氣動力學原理，也為當時航空業的發展開創了先河。把這架飛機懸掛於此，正是為了展示數學館的展覽主題，即數學如何幫助解決了人類現實世界的問題。在這種情況下，我們今天才有了安全可靠的客機。

算盤

數千年來，人們都在使用算盤幫助運算加法或減法。在數字數學時代，許多人認為這些工具已經過時。然而在20世紀，算盤依然被用於教授算數，也是科學家、店員以及其他人經常使用的工具。

巴貝奇分析機（Babbage analytical engine）

計算機先驅查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）設計出首個自動計算機器——分析機。巴貝奇設計了許多零部件，希望能夠組裝高性能的數學計算器，這是其完成的部分部件。巴貝奇的想法啟發了數學家阿達·洛芙萊斯（Ada Lovelace），她將分析機的概念向前推進了一大步。洛夫萊斯獲得機器產生的首個演算法，為此她常常被視為世界上的首位計算機程序員。

巴貝奇差分機二號（Babbage Difference Engine No. 2）

儘管巴貝奇從未製造出差速發動機數學計算機，但在100多年後的1985年，科學博物館根據他的設計製造出差分機。按照標準程序，這種差分機可以生產4000個鑄鐵、鋼和青銅部件。1991年，這種機器首次實現無錯誤計算，這時已經距離巴貝奇出生200年。2002年加入印表機後，巴貝奇的設想終於全部實現。通過手柄轉圈，這種機器可完成複雜運算，每次結果最多可達31位數。

舒爾茨差分機（Scheutz difference engine）

與愛德華·舒爾茨（Edvard Scheutz）是首先將差分機推向市場的人，他們幫助維多利亞時代的人們減少科技、工程以及商業等方面的錯誤。1864年，英國政府購買了差分機，幫助制定「英國壽命表」，即英國不同地區人們的平均壽命等數據。但差分機的普及並不容易，當時的政府統計學家威廉·法爾（William Farr）表示，差分機需要被不斷地關注，不得不滿懷焦慮地看著。結果，壽命表被保險公司用於計算保費。即使150年後，保險公司依然在使用它萊計算保費，儘管其越來越多被大數據軟體取代。

賽狗機（Dog-racing tote machine）

隨著時間推移，差分機不再僅限於科學家和政府官員使用。到1933年，巨大的機電賽狗機器被安裝在溫布利的灰狗體育場，在那裡實時計算每條狗的賠率，以幫助人們下注。大屏幕上，可以顯示出計算結果。這種形式的賭博與賽道旁莊家設定的賠率不同，這台機器允許賭客利用數學計算機為每條狗押注，這可讓賭客們增加獲勝幾率。

微分分析器（Differential analyser）

這種微分分析器建造於1935年，被設計用於幫助曼徹斯特大學的物理學家解決現場問題，從電力傳輸到製造炸彈等。與那個時代的許多數學機器相似，微分分析器由輪班的女性操作，以確保它全天候工作，並儘快給出計算結果。在二戰期間，這台機器也被用于軍事研究領域，包括涉及鈾濃縮計算的秘密項目，這是製造原子彈的關鍵部分。

計算機器（Calculating machine）

1937年，科學計算服務（SCS）開始僱傭女性數學家使用計算機器，以幫助解決大量實際數學問題。從本質上說，SCS就像人類版的現代計算機，它可以將複雜的問題分解成更小的計算，並由不同的科學家完成，這可以更快找到解決方案。SCS一直運行至1965年，當時我們今天數學的計算機基礎開始顯現。

恩尼格瑪密碼機（Enigma）

恩尼格瑪密碼機可能是最著名的早期加密系統，它最初是被設計用於商業領域的。如今在科學博物館展出的這台機器製造與1934年，但在二戰期間卻被德國軍方大量使用，以便加密納粹司令部的軍事通訊。當時這是非常機密的，但在布萊切利莊園，艾倫·圖靈（Alan Turing）以及其他密碼破譯員開發出利用早期計算技術的更先進方案，破譯了希特勒所謂的「牢不可破」的密碼。破譯密碼幫助縮短了戰爭進程，甚至可能挽救了數百萬人生命。

電氣邏輯機（Electrical Logic machine）

二戰後期，有關利用機器智能作為解決問題工具的研究出現了一個小高潮。其中比較具有代表性的產品就是電氣邏輯機，它是物理學家迪特里奇·普林茲（Dietrich Prinz）與哲學家沃爾夫·梅斯（Wolfe Mays）1949年設計製作的。這種機器屬於電氣設備，可被用於測試特定的邏輯語句，並幫助研究人員將類似人類的推理、模式識別質量等納入利用數學計算的機器中。大約70年後，模式識別在計算機處理過程中被廣泛應用，包括無人駕駛汽車、機器人、監控以及網路安全等。

統計學機器埃利奧特（Elliott 401）

埃利奧特於1954年被安裝在洛桑農業研究所中，主要任務包括分析農作物特性、昆蟲對農作物危害以及幫助解決數學和遺傳學領域問題等。作為統計學研究的開創性機構，洛桑工業研究所的統計學家和生物學家羅納德·費舍爾（Ronald Fisher）奠定了許多現代統計學理論的基礎，包括在臨床和農業試驗中至關重要的隨機元素。埃利奧特是弗蘭克·耶茨（Frank Yates）製造的，他是戰時操作研究員，幫助將洛桑農業研究所建造成統計計算中心，並鼓勵在政府研究中使用統計分析。埃利奧特約有1個房間大小，它被使用了11年，1965年退役。

弗朗迪-阿特拉斯控制台（Ferranti Atlas console）

1962年誕生時，弗朗迪-阿特拉斯控制台是當時世界上最強大的計算機。但這種強大是有代價的，儘管它只是倫敦大學主機的一部分，可以依然要佔據2個房間。弗朗迪-阿特拉斯控制台幫助解決的問題是，為英國石油公司的油輪計算最佳路徑。尋找最短路徑相當複雜，因為油輪可能有無數路線可供選擇，但計算技術幫助簡化了這個問題，可以讓油輪選擇最高效的路徑。

PDP-8迷你計算機（PDP-8 mini computer）

最初的計算機體型十分龐大，往往需要佔據整個房間，這往往帶來許多不便。直到1965年PDP-8迷你計算機到來，這種計算機足以被安裝到辦公室或圖書館。PDP-8迷你計算機運行的軟體可讓用戶測試大量數據並建模，這讓它在工程、科學、醫學等領域被廣泛使用。然而從今天的角度來看，它比計算器強不了多少。

倫敦醫院生存預測器（London Hospital Survival predictor）

醫務人員每天要做出許多艱難的決定，比如病人正陷入哪種狀況，他們是否能夠恢復。倫敦醫院生存預測器誕生於1972年左右，醫生利用其判斷昏迷患者恢復的可能性。這種機器可檢測昏迷病人情況，並將這些信息與「記憶」中的其他病人情況進行對比。利用這些信息，機器會給出「S」（代表生存）或「IBD」（意為腦死亡，無生存機會）的判斷。當然，這種預測器並非是最後治療方案的決定者，還需要醫生參與判斷。

自適應模式識別機（Wisard Pattern recognition machine）

自適應模式識別機建造於1981年，是世界上第一種神經網路。它仿照人腦工作原理製造，可從數據中尋找模式，並從中找出信息包含的意義。自此後，神經網路被廣泛應用於各種環境中，比如認知計算、人工智慧等，幫助解決世界上最艱巨的挑戰。

Lotus Notes辦公電子協作平台

到20世紀80年代，個人電腦成為西方世界家庭和辦公室中的固定裝置。類似1983年版Lotus 1-2-3這樣的軟體為辦公室職員提供了強大的計算能力，甚至超過30年前相當於房間大小的計算機能力。隨著微軟Excel等其他流行電子表格出現，Lotus 1-2-3從根本上改變了金融交易員的從業方式。在台式機普及前，交易員不得不徹夜發送定價模型進行計算。如今有了電子表格，他們只需要幾分鐘就可以搞定。

數學軟體

如今，在工作中需要使用數學的人，可以獲得強大的計算技術和軟體支持，這些軟體可基於最抽象的數據進行計算和建模。它們不再需要擁有專業知識的用戶徹夜計算，各行各業的人都可以使用方便的數學力量。有時候，他們只需使用智能手機或平板電腦。數學從根本上改變了世界，以及世界內部的運行方式。

科學博物館的溫頓數學館向公眾免費開放，人們可以在這裡了解科學、技術、工程以及數學歷史。這裡也是世界上唯一由哈迪德設計的公共博物館展覽。

本文來自：網易新聞