第四节 计算机与核能：第三次工业革命的起飞

第三次工业革命也被称为第三次科技革命，是人类历史上继蒸汽时代（第一次工业革命）和电气时代（第二次工业革命）之后的又一次重大飞跃，引领我们迈入数字化时代，故也有人称其为数字化革命。它以电子计算机技术、原子能、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多新兴领域，影响范围之广是前两次工业革命所无法企及的。

一般认为第三次工业革命始于20世纪四五十年代，那时第二次世界大战刚刚结束，诸多军事技术及军用设备投入民用，其中的代表就是电子计算机技术。1946年2月14日，世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）诞生于宾夕法尼亚大学，重达30余吨，占地170多平方米，由18000只电子管组成，是个名副其实的大家伙，它的诞生最初是为了解决当时人工计算导弹弹道速度慢、错误率高的问题。

图1-10 世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）

电子计算机的诞生为我们打开了数字化的大门，将人类的计算能力提升了不止一个档次，更是为后期原子能、空间技术和生物工程的发展打下了坚实的基础。1959年，出现了晶体管计算机，其计算能力提升至每秒100万次以上；20世纪60年代中期，出现了集成电路，再次将计算能力提升至每秒上千万次，使得在计算机上完成常规数据处理和工业控制成为可能。1978年，计算机的计算能力再次提升，每秒可运算一亿五千万次……英特尔创始人之一的戈登·摩尔根据经验总结出一条结论：集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每过24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能每隔两年提高一倍。这一结论被称为“摩尔定律”，至今仍然适用。

二战结束后，以美苏两国为首的两大军事集团随即开始冷战。这一时期，两大阵营的科学技术再一次得到了飞速发展，尤以空间技术、原子能技术的发展最为显著。

1957年，苏联抢先一步发射了世界上第一颗人造卫星，这一举动意味着人类的活动范围从陆地、海洋、大气层进一步扩展到宇宙空间，将人类带入了一个全新的领域，人类得以用全新的视角了解地球这个我们赖以生存的家园。人造卫星、宇宙飞船、空间站等各类航天器以及气象卫星、资源卫星、通信卫星、导航卫星等各类卫星的逐一出现，一步步改变着我们的生活方式以及我们对地球的认知。有了空间站，人类可以免受宇宙射线、极度低温、真空环境的伤害，长时间在宇宙中生存。同时得益于宇宙中真空、低温、失重、无尘等绝佳的科研条件，人们在药物研究、生物培育等方面都取得了不小的进展。

图1-11 戈登·摩尔

1942年6月，美国为了取得战争的主导权，启动了利用核裂变反应来研制原子弹的曼哈顿计划，同年12月，芝加哥大学建成人类第一台（可控）核反应堆“芝加哥一号堆”（Chicago Pile-1）。该反应堆采用铀裂变链式反应，开启了人类的原子能时代。“芝加哥一号堆”的成功建立不仅促进了原子弹的研制，更是为战后原子能的发展奠定了基础。1951年12月20日，美国率先使用核裂变反应堆点亮了四个灯泡，用实践证明了原子能发电的可行性，人类和平利用原子能的帷幕就此拉开。随后在1954年6月，苏联建成世界上第一座原子能发电站奥布宁斯克核电站，可为有6000名居民的小镇供电，揭开了人类和平利用原子能的新纪元。紧随其后，1956年10月，英国的考尔德·哈尔核电站投产运营，发电功率9万千瓦，装机容量比奥布宁斯克核电站大将近十倍。随着原子能的不断发展，原子能的应用已不单单局限于发电，活化分析、放射性侦察、零部件探伤等都在潜移默化地影响着我们的生活。

图1-12 核电站

新材料技术的发展再一次推动了第三次工业革命的进程。借助新材料技术和计算机辅助分析，科学家可以根据使用要求以及科研方向，创造出能满足各项性能指标的新型材料。新材料可以根据使用情况进行多种划分，按属性可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料；按使用性能又可分为结构材料和功能材料。在新材料的加持下，航空发动机、原子能、电子计算机技术有了质的飞跃：隔热、耐冻材料的出现大大提高了航天器进出大气层以及在太空中长时间运行的安全性；超纯硅、砷化镓的成功研制，使计算机的运算速度提高到了每秒百亿次以上；磁性材料的研制，使核聚变在某些苛刻的条件下可控。

第三次工业革命相较于前两次工业革命，更大程度地推动了生产力的发展，加快了科技转化为生产力的速度，同时科学与技术紧密结合、相互促进。随着技术的不断发展，各学科的研究不断深入，内容愈发综合，门类愈发庞大，成果愈发丰硕。

在技术的不断积累和创新下，电子计算机获得快速发展，运算能力强大的计算机在各行各业逐渐占据了不可或缺的地位。如今，航空、航天器的设计已离不开计算机，动辄上百万种零件的设计、制造、装配，不再是仅凭人力就可以完成的工程，有了计算机的辅助，不仅在设计阶段可以大大节省时间，提前发现设计上的失误，而且制造和装配精度也得到了提升；生物技术的发展同样离不开计算机，有了计算机强大的计算分析能力，生物学家得以掌握关于生物核酸、蛋白质的序列和结构的更加详细的信息；新材料科技的发展同样也离不开计算机强大的运算能力和数据处理能力，科研人员可以运用计算机对新材料的各项性能指标进行直观对比，在节约成本的同时大大降低了实验中可能产生的风险。

第三次工业革命改变了我们的生活方式，也改变了社会的运行机制，既带来了机遇，也带来了挑战。

在第三次工业革命期间，电子计算机技术得到了迅速发展，凭借强大的计算能力和不断缩小的体积，已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。当然，电子计算机技术的快速发展，离不开计算机软件的支持。

早在1935年，阿兰·图灵在计算机还没有诞生时就提出了第一个软件相关的理论概念——“可计算的应用程序”。1958年，我们现在所熟知的“软件”这一概念正式由贝尔实验室的约翰·图克提出。

在电子计算机技术、计算机软件技术的不断推动下，云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能等新兴技术应运而生，促进了整个时代的进步。我们的社会悄然进入智能时代。