浅谈物理学对计算机科学发展的影响

杨世博

摘 要：现今，计算机发展迅速，电子商务、电子政务、网上办公、网上学习和网上娱乐等活动应用普遍，这些依附于计算机发展而实现的功能给人类工作、生活、学习带来了翻天覆地的变化。作为理科基础学科的物理学在计算机的发展过程中究竟扮演着怎样的角色？本文将就计算机发明的背景和物理学对计算机科学发展的影响展开论述。

关键词：物理学 计算机 背景 网络 量子信息

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）06-0152-01

物理学作为一门基础学科，一直是我们高中生（特别是理科生）学习的重点。但很多同学在接触物理过程中，认为学物理是无用的，因为其好像对我们的个人生活并没有什么实际性的帮助，反而因为难度较高造成了很大的学习压力，殊不知计算机与物理学存在着不能割裂的联系，已成为我们生活中不可缺少的一部分。

一、计算机发明的背景及其发展历程

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及计算机所使用的实验手段和思维方法的自然科学，它是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结的一门学科。物理学的影响深远，这是因为物理学的突破时常会造成新科技的出现，物理学的新点子很容易在其它学术领域产生共鸣。例如，在电磁学上的进展，直接地导致了发电机的产生，使电力的大规模生产与传输成为现实，大幅度地提升了整个社会的生活水平。计算机这一伟大发明就是在人类不断的认识世界，发现自然界规律的的背景下产生的。

自1946年第一台计算机发明以来，计算机虽然只经过了几十年的发展，但计算机已经经历了占地面积大、速度慢、储存量小，主要用于数据计算的第一代计算机——电子管计算机；以磁芯或磁鼓作存储器，开始用于数据处理和过程控制的第二代计算机——晶体管计算机；主存储器渐渐过渡到半导体存储器并且主要部件变成中小规模集成电路的第三代计算机——中小规模集成电路计算机；体积缩小、性能提高、集成更高的并开始广泛用于各种领域的第四代计算机——大规模和超规模集成电路计算机。现在，人类已经迎来了计算机、网络、通信技术三位一体的具有人工智能的第五代计算机时代，可以说，在计算机发展的每一个阶段，物理学都留下了不可磨灭的印记。

二、物理学对计算机发展的影响

1.第二次科技革命中最具代表性的即是奥斯特的“电磁感应”现象的发现，该发现为发电机和电动机的制造创造了可能性，之后法拉第的“电磁感应定律”更是为发电机的发明和投入使用奠定了坚实的基础，使人类迎来了区别于以往的新能源。同时从电磁感应实验以及应用物理理论研究到电气化时代的到来，电力成为了新型主要的能源，电力设备也逐渐的发展起来[1]，计算机就是在电力的支撑下才有了发展的可能。计算机等电力设备产生的前提是电力的存在，并且它们赖以工作的前提也是充沛的电力，可以说，计算机赖以存在的首要前提便是物理学中电力的发现。

2.现今，如果问影响人类最广泛的计算机功能是什么？很多人会毫不犹豫的选择网络。网络不仅拉近了人与人之间的联系，而且因为资源的共享使生活更加便捷、工作更加科学。那究竟网络是怎样实现的，它又与物理学有那些联系呢？网络就是通过线路互连起来的、资质的计算机集合，确切的说就是将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。网络传输需要介质，网络常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介等，这其中无论是金属导体还是光纤导体，都离不开其物理性能的开发，其本身存在的物理性能是支撑网络传输的基础。并且随着计算机制造业的大力发展，更是将计算机网络硬件的可靠性及性价比推向一个新的高峰[2]，这种现状下计算机硬件的改革与创新也不断开展，物理作为支撑硬件发展的物质和性能基础任务还很巨大。

3.进入21世纪，更多的高新物理技术也不断的应用到了计算机的革新之中。量子纳米科学就与计算机紧密相关，量子纳米材料在化工、医药、建材等领域已经有了很多应用，而量子纳米结构的电子、光子和微机械将成为下一代量子微电子和光电子器件的核心，通过与通讯技术和计算机技术的紧密联系，势必在21世纪引起一场新的技术革命。除此外，量子信息也给计算机架构体系带来变革，它涉及到如何从物理学的角度，从物质层面上深入理解什么是信息，什么是物质，能量和信息关系等基础性问题。并且，量子信息作为利用量子态作为信息载体进行信息储存、处理、计算和传送的一门学科，它能完成经典信息系统难以胜任的高速计算、大容量信息传输通讯和安全保密等的信息处理任务[3]，对计算机的发展意义重大。

计算机已经经过了70多年的发展历程，不管是仅仅实现计算功能的第一代计算机，还是现在功能多样，广泛普及的第五代计算机，其发展的前提都离不开新物理技术的创新和新物理材料的发现。现今，在计算机向系统巨型化、体积微型化、资源网络化和功能智能化前行的道路上，物理学作为推动社会发展的基础学科，还将用其独特的魅力发挥重要的作用。

参考文献

[1]杨淑凤，张元元. 物理学与人类文明进步[J]. 成人教育，2010，（06）：75-76.

[2]姜山峰，刘涛. 计算机网络技术的原理及发展趋势[J]. 价值工程，2013，（36）：217-218.

[3]我國物理学与其它科学交叉的现状、问题及对策[J].中国科学院院刊，2006，（04）：270-273.