1.4 信息时代

第一次产业革命，人们学会了利用自然能源代替人力资源，第二次产业革命进一步使自然资源按人类的意愿使用。两次产业革命时期人类的发展速度已经超过了以前几千年的发展速度，导致世界上产生了巨大的贫富差距，出现了像英国这样能够统治世界的帝国。可以看出，每次产业革命伴随的都是能源的革命，也可以说是能源推动了产业革命。时间的车轮进一步向前走，来到20世纪，人们发现了更为强大的能源——原子能，它的出现在能源层面彻底改变了原有格局。这一时期还出现了电子计算机和航天技术以及其他高新技术，逐渐成为现代社会的重要基石，这一时期就是第三次产业革命。

1.4.1 原子能：能源新革命

1938年，德国科学家已经发现了核裂变的现象，并且多数科学家认为利用这一原理可以制造出威力巨大的武器。1939年，德国入侵波兰，随后英国和法国向德国宣战，标志着第二次世界大战爆发。同年，德国开始原子弹的研制工作。到了1941年，战场上的局势发生了变化，德国不得已将大部分资源用于制造坦克和飞机，从而大大延缓了原子弹的研制工作，并且得出“三年内无法将原子弹实用化”的结论。与此同时，日本也开启了研制原子弹的工作，但是受限于国内没有足够的铀可供研究，研制原子弹的项目也一直没有成功。

1941年，日本轰炸美国的珍珠港，加速了美国研制原子弹的进程。1942年，美国正式开始研制原子弹项目“曼哈顿计划”。1945年7月16日，随着一声巨响，硕大的蘑菇云冲上12千米的高空，数千米范围内比白天还要明亮，人类第一颗原子弹爆炸成功。这次核爆试验被称为“三位一体核试”，被认为是第三次产业革命的开端。从开始研发到成功试验，美国一共花了6年时间，75万名工作人员参与，消耗资金达20亿美元。美国此次实验一共制造了三颗原子弹。

1945年8月6日，保罗·提贝兹驾驶B-29轰炸机，在日本广岛市上空投下“小男孩”原子弹；三天后，查尔斯·斯维尼将“胖子”原子弹投放在日本长崎。两次爆炸造成日本14万人直接死亡，这无疑是人类历史上的黑暗时刻。但是这两颗原子弹的爆炸也在提醒日本继续战争是没有意义的，甚至会使日本从地球上消失。原子弹爆炸后的第六天，日本宣布无条件投降，并于1945年9月2日正式签署投降书，宣告第二次世界大战结束，避免了对世界人民造成更严重的灾难。

原子能所释放的能量要比化学反应大5000万倍。例如，铀核裂变所释放的能量为2×108电子伏特，而相同的碳燃烧所释放的能量仅为4.1电子伏特。原子能强大的能量如图1-10所示。如果仅仅用于军事则是巨大的浪费，我们需要利用它造福全人类。地球资源是有限的，石油和煤炭资源已经不能满足人类未来的发展要求。因此，利用极具潜力的原子能（又称“核能”）发电的核电站被越来越多的国家所重视。

能源是人类生存的根本，每次产业革命都有能源方面的巨大进步：第一次产业革命使用化石能源的蒸汽机代替了使用自然资源的水车和人力；第二次产业革命，内燃机的出现大大刺激了石油行业的发展；第三次产业革命出现的原子能是第一种人造能源，其意义无疑是划时代的。我们也可以说，人类每次在能源使用方面的进步都推动了产业革命。

1.4.2 电子计算机：人脑的延伸

每次产业革命除了在使用能源方面的进步之外，还伴随着新型机器的出现；新型机器取代了部分人力，提高了工业生产力。例如，第一次和第二次产业革命期间出现的蒸汽机取代了人力，而后出现的内燃机取代了蒸汽机；在第三次工业革命期间出现的新型机器又取代了部分人力，不过与之前两次相比，不同的是这次出现的机器是取代部分人力来进行脑力计算，而不是体力劳动，这种机器就是电子计算机。

1914年出现的阿塔纳索夫·贝瑞电子计算机是第一台真正意义上的电子计算机，它使用了二进制数值和真空管计数器，但它仅仅被设计为求解线性方程组。第二台真正意义上的电子计算机是ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer），它也是真正被我们所熟知的电子计算机。ENIAC的诞生还要归功于第二次世界大战，当时同盟国和轴心国都在研发作战效率更高的武器，这需要大量的计算。据记载，“二战”期间美国进行弹道研究的弹道研究实验室每天需要计算出6张射表，而即使200个计算员同时计算一张射表也需要两个月的时间才能完成，显然人力计算是不能满足战时需要的，研制出一台高性能电子计算机就被提上日程。

1943年，美国陆军正式立项开始研制高性能电子计算机，并将这一项目交由宾夕法尼亚大学的摩尔电气工程学院来完成。1946年2月14日，研制成功的机器正式亮相，简称为ENIAC。ENIAC包括17468根真空管，7200根晶体二极管， 1500个中转和10000个电容器，重达30英吨，可谓一个庞然大物。ENIAC耗电量巨大，可达150千瓦，有传言称：每当ENIAC启动时，费城的电灯都变暗了。不过它在计算效率方面的提升同样是巨大的，它每秒可以进行5000次加法或400次乘法运算，是之前计算器运算速度的1000倍，是人工计算速度的20万倍。后来，开发人员连同冯·诺依曼又对ENIAC进行了改造，并最终呈现出当今所有电子计算机的基础结构——程序储存体系结构，也被称为“冯·诺依曼结构”。

由于ENIAC使用的真空管的稳定性并不好，所以在ENIAC工作期间差不多有一半的时间处于故障状态。像ENIAC这样使用真空管制造的电子计算机被称为第一代电子计算机，也被称为真空管电子计算机。为了开发出更为稳定、计算速度更快、体积更小、耗电量更小的电子计算机，1958年，英特尔创始人之一罗伯特·诺伊斯率领团队研发出了集成电路，运用集成电路制造的电子计算机被称为第二代电子计算机。20世纪60年代后出现的晶体管体积更小、速度更快、性能更加可靠，最重要的是晶体管的出现可以使电子计算机商业化，加速了电子计算机的发展，20世纪60年代到70年代的电子计算机也被称为第三代电子计算机。20世纪70年代，随着制造技术的提高，大规模集成电路成为可能，使电子计算机的计算速度又有了质的飞跃，这一时期的电子计算机被称为第四代电子计算机。之后，电子计算机进入了飞速发展的时期。

1971年，英特尔公司推出全球第一款微处理器Intel 4004;1972年，英特尔公司又推出了8008微处理器，此款微处理器的计算能力大幅提高；1974年，MITS发布了全球第一款个人商用电子计算机Altair 8800;1976年，第一台商用超级电子计算机发布，命名为Cray 1，它集成了20万个晶体管，每秒可以进行1.5亿次浮点运算。苹果公司于1976年推出AppleⅠ，1977年推出AppleⅡ。微软于1981年发布了DOS系统，又于1985年发布了Windows系统，也就是我们现在大部分电脑系统使用的原型。电子计算机的变迁如图1-11所示。

在电子计算机的处理能力快速发展的时期，1965年，英特尔的另一位创始人戈登·摩尔提出：集成电路上可容纳的晶体管数目约每两年增加一倍。也就是说每隔两年，处理器的计算能力会提高一倍，这也就是我们现在所说的摩尔定律。虽然我们称之为定律，但它只是基于经验的推测，而不是一个物理上的规律，也就是说，它并不能够完全预测今后处理器的速度。即便如此，自1965年以来这一规律仍然适用，只是最近其速度有所放缓。据预测，今后每三年集成电路上可以容纳的晶体管数目可增加一倍，持续到2020年左右。

发展到现在，电子计算机已经被应用到信息处理、科学计算、过程控制、电子计算机辅助系统、通信、人工智能等方面。相较于初期的电子计算机，现在的电子计算机的运行速度也有了巨大的提高。例如，2016年，我国研制成功的“神威·太湖之光”超级电子计算机浮点运算速度达到12.5亿亿次每秒；2018年，美国能源部研发的“高峰”超级电子计算机的浮点运算速度更是达到20亿亿次每秒。电子计算机的出现大幅提高了我们的工作效率，减少了我们大部分的脑力劳动，可以让我们去思考其他更有意义的事情，并且使整个世界连接在一起，信息的传播速度更快，让地球变成了“地球村”，因此这一时代也被称为“信息时代”。

1.4.3 航天技术：飞向太空

第二次世界大战结束后形成了两极格局，即出现了两个超级大国：美国和苏联。为了争夺世界霸权，这两个国家开始了它们之间的竞争。其中，太空战略竞争是极其重要的一个方面。

美国首先在缴获的德国V-2火箭的基础上开始研究大推力火箭推进器，并于1949年成功研制出“海盗”号探空火箭。不过相较于美国，苏联此时的研究速度更快。1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克一号”，之后美国于1958年发射了第一颗人造卫星“探险者一号”。1961年4月12日，苏联航天员加加林乘坐“东方一号”宇宙飞船顺利升空，并且在地球轨道绕地球飞行一周后安全返回，成为世界上进行宇宙飞行的第一人，实现了人类进入太空的梦想。

受到苏联研究进展的激发，美国觉得仅仅将人送入地球轨道并不能够展示出美国的强大。1961年，美国正式开启了登月计划——阿波罗计划。经过8年的研究和大量的实验后，1969年，“阿波罗11号”飞船完成了美国人的梦想，阿姆斯特朗也成为人类历史上第一位登上月球的人。阿波罗计划一直持续到1972年才结束，这期间一共耗费资金240亿美元，相当于现在的1070亿美元，可谓相当惊人，但这次计划揭示了月球表面的物质化学成分，并且探测了月球的重力、磁场等参数，为人类研究月球提供了宝贵的数据。值得一提的是，经过40多年的发展，也只有“阿波罗11号”飞船载着人类驶离了地球轨道。

美国登月成功后，苏联转而研究空间站来展示自己的航天实力。1971年，苏联发射“礼炮一号”，将人类首个空间站送上太空；随后，1973年美国将“天空实验室”空间站送上太空，并且携带了许多科研仪器以满足科学家们的实验需要；1986年，苏联再次发射“和平号”空间站，并且一直服役到2001年。1998年，多个国家联合研究的国际空间站发射升空；直到今天，国际空间站上每次都保持着至少3名成员。

除了美国和苏联之外，其他各个国家也都投入航天工程的研究。1965年11月，法国发射了自己的第一颗人造卫星“阿斯泰里克斯”;1970年2月，日本发射了自己的第一颗人造卫星“大隅号”;1970年4月，我国发射了自己的第一颗人造卫星“东方红一号”;1971年10月，英国发射了自己的第一颗人造卫星“普罗斯帕罗”。之后，印度、以色列、朝鲜、印度、韩国等国家也发射了自己的人造卫星，分别具有了独立发射卫星的能力。

我国的航天能力一直处于世界前列，从我国第一颗人造卫星升空以来，我国已经成功发射了上百颗自主研发的卫星。1999年，我国第一艘无人试验飞船“神舟一号”飞船在酒泉起飞，圆满完成了“处女之行”。经过四年的不断探索和努力，2003年，杨利伟乘坐“神舟五号”承载着中国人的梦想升空。直到今天，我国已经将11名航天员送入太空，并且我国也已经开始了探月工程，于2007年成功发射了探月卫星“嫦娥一号”,2018年12月8日成功发射了“嫦娥四号”，标志着我国距离探月的梦想越来越近。

人类的未来不仅在地球上，还在广袤无垠的宇宙中。地球只是宇宙中的一粒“沙子”，地球之外有着无穷无尽的知识与能源等待人类去发现。航天技术的发展使人类的目光不再局限于地球而望向太空，使人类探索太空成为可能。探索太空如图1-12所示。

原子能、电子计算机和航天技术的发展仅仅是第三次产业革命的代表，除此之外，大量新技术的出现和蓬勃发展也是这一时期的特点。可以说，创新达到了空前的高度。例如，高分子工业、新型材料制造业、半导体制造业、生物工程等新技术不断涌现，使人类的日常生活发生了巨大的变化。

从人类的发展来看，文明产生前50万年的变化不如文明产生后5000年的变化大，而这5000年的变化又不如这300年工业革命的变化大。到了近代，创新的数量和质量变化之快令人惊叹，这对于发展中国家来说既是机遇也是挑战。