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劃破黑暗時代,十字軍東征為歐洲文明傳遞知識聖火│《電腦簡史》 齒輪時代(十)

張瑞棋_96
・2020/04/27 ・2123字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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先前在《電腦簡史》 齒輪時代(六)提及,羅馬帝國分裂後,希臘典籍原本早已損毀甚鉅。日耳曼蠻族接管歐洲後,又因為教會強力鉗制學術思想,而進入黑暗時代。是什麼樣的契機,讓十字軍得以帶回君士坦丁堡保存的許多希臘著作,以及伊斯蘭地區的阿拉伯書籍?十字軍東征促成了經濟趨向繁榮外,對於歐洲文明又形成了什麼樣的重大影響?

本文為系列文章,上一篇請見:西方第一座水力天文鐘——給你聲光饗宴的城堡天文鐘│《電腦簡史》 齒輪時代(九)

一封來自拜占庭皇帝的求援信,間接促成歐洲貿易、文化再次興盛?!

1095 年三月,拜占庭帝國的特使千里迢迢來到羅馬,向教宗烏爾班二世 (Pope Urban II) 遞交一封拜占庭皇帝的親筆信函。烏爾班二世打開一看,竟然是封求援的信。原來塞爾柱土耳其人 (Seljuk Turks) 近年來攻城略地,不但取代阿拉伯的阿拔斯王朝,成為伊斯蘭世界的新霸主,也強佔拜占庭帝國大半國土。如今更逼近君士坦丁堡,拜占庭帝國已經岌岌可危。

其實君士坦丁堡教會和羅馬教會交惡已久;四十一年前,雙方還鬧到互不承認,而分裂成東正教與天主教至今。因此對於烏爾班二世而言,這或許是讓君士坦丁堡教會向羅馬臣服的大好機會。更何況唇亡齒寒,塞爾柱帝國如果滅了拜占庭帝國,再來就直接威脅到西方基督教徒了。

因此他同年七月返回家鄉法國後,便四處演說,鼓吹民眾加入遠征軍,從異教徒手中奪回聖城耶路撒冷。不過群眾並未馬上響應,直到十一月底,烏爾班二世在克列芒 (Clermont) 向廣場群眾發表演說,宣稱為聖戰犧牲者可以洗清生前罪孽,進入天堂,才引發熱烈響應,而開啟第一次「十字軍東征」。

烏爾班二世在克列芒 (Clermont) 市場向群眾發表第一次十字軍東征的演說。圖\wikipedia

第一批率先出發的十字軍,其實是一般平民組成的「烏合之眾」,隨後才由貴族各自帶領正規軍遠征。出乎意料地,十字軍竟一路過關斬將,成功於 1099 年中攻下耶路撒冷,在此建立基督教的耶路撒冷王國。

奇怪,伊斯蘭大軍不是驍勇善戰,勢如破竹地快把拜占庭帝國滅了嗎?怎麼會輸給歐洲倉促組成的雜牌軍?這是因為塞爾柱帝國的蘇丹王突然遭人暗殺,各派人馬為爭奪權位而互相廝殺,帝國因此分崩離析,才讓十字軍有機可乘。

到了十二世紀下半葉,庫德人薩拉丁 (Saladin) 建立的埃宥比王朝 (Ayyubid dynasty) 又一統伊斯蘭世界後,便再奪回耶路撒冷。之後歐洲又多次派十字軍東征,雙方不斷交鋒,互有勝負,直到十三世紀末,歐洲民眾對聖戰已失去熱情,歷時兩百年的十字軍東征終於告一段落。

薩拉丁 (Saladin) 建立埃宥比王朝 (Ayyubid dynasty) ,並率兵一統伊斯蘭世界,奪回聖城耶路撒冷。圖\wikipedia

歐洲民眾之所以不再熱衷於聖戰,經濟越來越繁榮是一個很大的因素。由於歐洲在九世紀至十三世紀之間,進入「中世紀溫暖期」,溫暖的氣候有利於植物生長,可耕種的土地也大幅增加,糧食與畜牧的產量隨之提升,得以供養更多人口,促進社會繁榮。

到了十三世紀,歐洲地區的人口與經濟便開始快速成長。而當初參與十字軍東征的民眾,主要都是社會底層的窮困階級。他們原本就基於:「反正沒甚麼好損失的,不如賭一把」的心態加入十字軍,如今歐洲內部有那麼多謀生、致富的機會,也就沒必要冒死遠赴戰場了。

十字軍東征雖然到頭來也沒收復多少領土,卻也不是徒勞無功。因為遠征所需的武器配備、後勤支援,原本就會促進各項生產與商業貿易,所以對歐洲的經濟成長也助了一臂之力。不過更重要的是,歐洲文明因此才得以邁向光明。

十字軍東征撒種典籍,歐洲知識文明再次萌芽

之前提到,羅馬帝國分裂為東西兩個帝國後,歐洲地區的希臘典籍原本就已經銷聲匿跡。日耳曼蠻族接管歐洲後,又因為教會強力鉗制學術思想,而進入黑暗時代。如今因為十字軍東征,君士坦丁堡保存的許多希臘著作,以及伊斯蘭地區的阿拉伯書籍,才終於被十字軍帶回歐洲。

十字軍東征在歷史意義上,很多人會解讀為基督教及伊斯蘭教的宗教之戰,但實際上其背後為歐洲帶來的經濟效益及文明之大。圖\wikipedia

而在第一次十字軍東征之前,歐洲西部幾個基督教王國也展開「收復失地運動」,進攻伊比利半島上的伊斯蘭王國,也在西班牙與北非的阿拉伯圖書館發現大量文獻典籍。於是自十二世紀開始,這些典籍陸續被翻譯為拉丁文,在歐洲出版,基督教世界的學者們才終於一睹這批無價的知識寶藏。例如歐幾里得的《幾何原本》、托勒密的《天文學大成》、亞里斯多德等希臘學者的著作,以及代數、三角學與阿拉伯數字這些數學觀念,都是此時才被引介到基督教世界,成為歐洲啟蒙的種子。

當然,還得有適當的條件,種子才能萌芽。隨著歐洲社會步向繁榮,經濟活動愈來愈頻繁,各種文件記錄也大幅增加,例如人員、財產、土地都要造冊存檔,還有交易紀錄、商業合約、法院訴訟等等也都需要大量能讀能寫的人。因為社會需才孔急,教會於是主動要求各地教堂開辦學校,使得歐洲的識字人口在十三世紀大幅增加,知識的傳播才逐漸在歐洲遍地開花——這其中,也包括了希臘學者與伊斯蘭學者所奠基的齒輪技術。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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馬爾他巨石文化遺址——哈扎伊姆神殿│環球科學札記(26)
張之傑_96
・2021/05/12 ・2034字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

  • 作者 / 張之傑

五月二十四日,約清晨七時許停靠馬爾他首府法勒他,從舷窗向外望,街市城堡就在眼前。這不是個不起眼的小城啊!

從馬爾他城牆望向建於 16 世紀的堡壘。圖/作者攝

談起馬爾他,就不能不談成立於十字軍東征期間的聖若望(約翰)騎士團。十字軍一度收復聖地耶路撒冷,聖若望騎士團於此時由八個國家的貴公子組成,其任務是保護由海路前往聖地朝聖者的安全。耶路撒冷失守後,騎士團移至愛琴海的羅得島。

西元一五二三年,聖若望騎士團從羅得島移往馬爾他,故又稱馬爾他騎士團。一五三○年,西班牙以每年一隻獵鷹的象徵性代價,將馬爾他租借給騎士團。一五六五年,騎士團擊退鄂圖曼土耳其,阻止其向西歐拓展,成為歷史上的重大事件。當時騎士團的將領叫作法勒他(Jean Parisot de Valette),這是首府法勒他城市名的由來。

西元一七九八年,拿破崙占領馬爾他,逐出騎士團。騎士團成為總部設在羅馬的特殊政治實體。一八○○年,英國占領馬爾他,一八一四年成為英國的殖民地。一九六四年獨立,奉英國女王為元首,成為大英國協一員。一九七四年,脫離大英國協,成為共和國,並成為永久中立國。馬爾他沒有軍隊,只有兩千名雇傭的警察。

雖然政治上歷經更迭,如今法勒他仍有騎士團的機構,飄揚著騎士團的旗幟。不過騎士團已成為以醫療救助為主的團體。騎士團和各國上層的深厚關係,以及所繼承的財產和投資的生息,加上與教廷的特殊關係,使得騎士團成為一個極具影響力的非政府組織(NGO)。

話題回到十六世紀。一五六五年鄂圖曼土耳其入侵,鏖戰四個月,原有市鎮已毀損不堪,教皇派出曾為米開朗基羅助手的御用建築師拉帕勒里(Francesco Laparelli),為馬爾他設計防禦性城堡。這位建築師到了馬爾他,找到一位當地建築師卡薩爾(Girolamo Cassar)作助手,師徒二人共同締造了法勒他的規模。

法勒他有什麼特點?為什麼整座城市被聯合國教科文組織列為文化遺產?除了建於十六世紀的城堡和古建築,大概還和他的格局有關。一言以蔽之,法勒他是座小城,但氣勢上卻像座大城。放眼全世界,恐怕沒有一個萬把人的小城,具有如此的大氣和貴氣。騎士團的特殊背景,造就了法勒他的 unique!

法勒他位於馬爾他北岸的一個小半島上。我們先到馬爾他南岸參觀海岸景觀藍洞(Blue Grotto),和世界文化遺產史前巨石文明哈扎伊姆(Hagar Qim)神殿。九點十五分到達海岸,從一處觀景台俯瞰,只見水色澄碧,海蝕洞及其附近水色透明,淺水處的礁石有如點點珠翠。

馬爾他南岸的海蝕洞藍洞,因為藻類的關係,顯現藍色、綠色,甚至紫色等顏色。圖/作者攝

在觀景台停留十五分鐘,就前往附近的哈扎伊姆神殿。一九九二年,聯合國教科文組織將哈札伊姆神殿與島上另四處巨石文化遺蹟列為世界文化遺產。我們先進入簡報室觀看七分鐘 3D 視頻,說明巨石可能是怎麼搭建的,以及可能的功能等等。看完視頻,就進入神殿參觀。神殿有四座,多已損毀、坍塌,保存最完好的一座,即主殿,用帳篷蓋住,以免風雨侵蝕。

我們在神殿停留一個小時。哈扎伊姆神殿由主殿和一旁的三所附屬巨石建築構成。主殿建於西元前三六○○年至三二○○年,較英國巨石陣早,也較最古老的金字塔早,是世間現存最古老的巨石文化遺址。神殿的巨石最重的超過二十公噸,高逾六公尺。有組織的社會,才能以巨石建造神殿,可見當時已有相當健全的社會組織。我在很年輕時就知道馬爾他的史前巨石文明遺跡,沒想到親眼看到了、親手摸到了。

哈扎伊姆神殿用帳篷蓋住,以免風雨侵蝕。圖為其外觀。圖/作者攝

世界各地的巨石文化通常和太陽崇拜有關,亦即具有宗教意義,也有天文觀測意義。其實兩者相輔相成,宗教儀式得配合季節變化啊。以最為人知、最多人研究的英格蘭南部薩爾斯平原的巨石陣來說,它既是宗教儀式場所,也是座古天文台,用來觀測天象和曆法。

哈札伊姆神殿是座有門、有窗、有牆的神殿,並非像英國巨石陣般,僅僅是由巨石柱撐起的環狀結構。它可能以作為宗教用途為主,天文觀測為次。它的正面,有三重石撐起的門,進入後,還有幾座門,和若干大小不一的空間。其中一處是個近乎圓形的小空間,靠近巨石牆的底部處有個小圓洞,對面有幾塊立石,據說是用來觀測夏至的。

哈扎伊姆神殿內部一景。圖/作者攝

當夏季某日清晨,陽光從圓洞直射對面的立石時,就表示這天是夏至。我們參觀時有一束陽光從圓洞斜著射入,這時已是十時許,且並非夏至,陽光並未投影在立石上。先民為什麼那麼重視測定夏至(或冬至)?兩個夏至(或冬至)之間,就是一個回歸年,也就是三百六十五天,這是曆法的重要基礎。

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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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改變在一「矽」之間——半導體的誕生│《電腦簡史》數位時代(十六)
張瑞棋_96
・2021/04/05 ・6669字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

本文為系列文章,上一篇請見:邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代(十五)

真空管的先天缺陷:易報銷

二次大戰後,電腦全面使用真空管後,速度大幅提升,隨著需要大量計算的企業越來越多,電腦前景看似一片光明。不過當電腦上線運作後,真空管的先天缺陷終於曝露出來,嚴重阻礙電腦產業的發展。

真空管是靠加熱極細的燈絲而產生游離電子,電子被吸引至做為正極的金屬片而產生單向電流。由於燈絲與電極都會逐漸耗損,真空管的壽命原本就不長;即使是特別為電腦生產的真空管,在正常狀況下也不過能用兩千個小時。更何況在進行高速運算時,真空管不斷開開關關,燈絲很容易因此燒斷而提早報銷。

真空管二極體的構造。圖:Wikipedia

一部電腦至少有幾千個真空管,只要有一、二個壞掉,就會影響整體電路的運作。以 UNIVAC 為例,平均故障間隔 (MTBF, Mean Time Between Failures) 的時間不超過 24 小時;美軍的 ENIAC 用的真空管超過一萬七千個,MTBF 更是只有 12 小時。而一旦發生問題,要排除故障也相當耗費時間,平均得花幾個小時才能找出損壞的真空管,予以更換。

電腦如果動不動就得停機檢修,不僅效益大打折扣,還會影響正常作業,誰想花大錢購置電腦卻惹來內部抱怨連連。可靠性的問題沒有解決,電腦就難以獲得全面採用,只是真空管的物理特性就是如此,能再改善的空間有限,只能期待全新的電子元件出現。

如今我們知道,這革命性的電子元件就是電晶體。它不僅解決了可靠性的問題,而且大幅降低成本、縮小體積、提升速度,讓電腦改頭換面,並催生出各種電子產品,人類文明從此邁入新紀元。電晶體之所以能帶來革命性的改變,乃因它是奠基於一種革命性的材料——半導體。要知道電晶體如何發明,得先知道什麼是半導體。

半導電性:導體與絕緣體之間

顧名思義,半導體就是具有半導電性的物體。但何謂半導電性?

我們知道不同元素有不同電子數,以原子核為核心,由內而外分布於不同殼層。越外層的電子能量越高,其中最外層的電子稱為「價電子」,所處的能階稱為「價帶」。價電子仍被束縛在原子內,所以無法導電,必須獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。傳導帶與價帶的能量差距稱為「能隙」,導電性便取決於能隙的大小。

金屬的能隙非常小,甚至傳導帶與價帶有部分重疊,所以導電性很高;反之,絕緣體的能隙很大,價電子無法跨越,因此無法導電。半導電的能隙則介於金屬與絕緣體之間。

三種不同導電性。圖:Wikipedia

能隙的大小與價電子的個數有關。每個殼層可容納的電子數都有上限,當價電子殼層越接近填滿狀態,就越穩定,需要越多能量才能激發價電子跳到傳導帶;當價電子越少,就越容易脫離束縛,跑到傳導帶。

金屬的價電子通常不超過 3 個(過渡金屬除外),很容易形成自由電子,到處移動。絕緣體通常有 5 個或以上的價電子。碳、矽、鍺、錫、鉛等 IV 族元素有 4 個價電子,剛好是半滿狀態,導電性介於導體與絕緣體之間,屬於半導體。

IV 族元素如果摻雜其它元素,導電性也會跟著改變。例如把磷摻到矽裡面,因為磷有 5 個價電子,其中 4 個與矽共用後,還多一個價電子,就更容易跑到傳導帶成為自由電子,這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。

矽如果摻的是有三個價電子的硼,只差一個價電子就是最穩定的狀態,猶如有個「電洞」讓經過的電子落入陷阱。旁邊的電子掉進這個電洞後又產生一個新的電洞,形成骨牌效應,從另一個角度看,就像是帶正電的電洞會移動一樣,因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。

偶然發現半導體

除了摻雜,化合物也可能形成半導體。半導體最早被發現,就是與 IV 族元素無關的化合物。1833 年,法拉第有一次在做電力實驗時,無意間將燈火靠近硫化銀,結果發現導電能力竟然大增;一旦移走燈火,導電性又隨著溫度下降而降低。一般金屬在高溫時,導電性會變差,硫化銀卻剛好相反,令法拉第大感訝異。

硫化銀就是一種半導體。高溫之所以增加半導體的導電性,是因為熱能會讓更多價電子躍遷到傳導帶,因此增加了導電性。一般金屬原本僅需一點能量就能產生自由電子,集體往正極方向移動。但電子如果吸收太多熱能,反而四處亂竄,原本的定向性受到破壞,導電能力也就隨之下降了。

法拉第雖然發現半導體這個特性,卻無法了解其中原理。畢竟當時距離道爾吞提出原子說還不到 30 年,是否有所謂的基本粒子仍頗受質疑,更無從想像原子內部還有電子與原子核。因此法拉第發表這個奇特的現象後,就不了了之,也沒有人想到在導體與絕緣體之外,還有一種半導體。下次半導體再度躍上檯面,已是四十年之後。

1874 年,才 24 歲的德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 在研究各種硫化物的導電性時,將硫化鉛接上電,卻發現檢流計的指針紋風不動。他試著調換正負極,結果指針馬上就有反應。這實在太奇怪了,一個物體的導電性應該是一致的,怎麼會因為正負極不同接法,一下是絕緣體,一下又是導體?

發現半導體具有單向導電性的布勞恩。圖:Wikipedia

單向導電性是半導體另一項重要特性。硫有 6 個價電子,所以硫化鉛是 n 型半導體,一般情況下,電子只能從硫化鉛往正極移動,才會從另一個方向測不到電流。同樣地,由於當時仍然不清楚原子的構造(湯姆森於 1897 年才發現電子),不知如何解釋這個奇特現象。

大家毫無頭緒,單向導電性又看不出有何用途,因此布勞恩發表實驗結果後,並沒有激起任何漣漪。半導體再次受到忽視,要等到赫茲於 1888 年發表無線電波的實驗後,硫化鉛這類的半導體礦石才引起大家的興趣。

接收無線電波

赫茲的實驗吸引很多人投入無線電波的研究,印度科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose) 也是其中之一。他發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性,而且不遵守歐姆定律:電流與電壓成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時,電流微乎其微;一但超過臨界電壓,電流便突然大幅增加。

博斯想到可以利用這個特性偵測微弱的無線電波。只要先對接收裝置施以適當電壓,讓無線電波所產生的感應電壓恰好超過臨界電壓,電流便會出現明顯變化,就能如實呈現無線電波。

1894 年,博斯將金屬天線的一端與硫化鉛的表面接觸,做成無線電偵測器(也稱「檢波器」),成功接收到一英哩之外的無線電波,這中間還隔了三道磚牆。

博斯發明的無線電收發器。圖:Wikipedia

馬可尼 (Guglielmo Marconi) 也在這一年發明無線電報系統,兩年後他和博斯在倫敦會面,不過博斯對商業應用不感興趣,並未與馬可尼合作。馬可尼也沒有採用博斯這個技術,而是利用感應電流產生的磁場變化,來吸引金屬屑或發出聲響,作為判斷電波的依據。

事實上,博斯自己後來也改用別種技術設計檢波器,因為礦石檢波器的確不是很靈光。礦石中的雜質分布並不均勻,不是每次用金屬線接觸硫化鉛表面都能形成迴路,往往得嘗試很多次才能找到「熱點」,得到訊號。

儘管如此,AT&T 的工程師匹卡德 (Greenleaf Pickard) 仍看好礦石檢波器的潛力,試圖找出收訊效果更好的礦石。

1902 年,匹卡德檢測一塊礦石的熱點時,懷疑施加的電流造成背景雜訊太大,於是伸手拿掉部分電池,結果雜訊果然馬上消失,無線電的訊號變得清楚許多。這時他看了一眼器材,才發現他剛剛不小心把電池的接線弄掉了,也就是礦石檢波器竟然不需要電,就可以接收無線電。

這個奇妙的現象完全違背過去的認知,於是匹卡德更加專心研究還有哪些礦石不用電就可以當檢波器。他花了三、四年的時間測試上千種礦石,發現有 250 種可以做為天然檢波器,其中又以熔融後的矽(原本用來製造石英玻璃)收訊效果最佳。

礦石收音機

匹卡德進行實驗的這段期間,無線電也正在發展另一項應用:傳送聲音。當時電話已是成熟的技術,可以將聲音轉換為音頻訊號,但音頻是連續波形,無線電波卻是脈衝電波,因此只能靠長/短、有/無來代表摩斯密碼,無法傳送音頻訊號。

1900 年,加拿大發明家范信達 (Reginald Fessenden) 發明一種高速交流發電機,終於能產生連續波形的無線電波(稱為「載波」,波形為規律的正弦波)。

原本規律的載波與音頻疊加後,變成起伏變化的無線電波,電波的振幅大小便代表音訊的變化。這種調變電波振幅的技術便稱為「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM),就是現在 AM 廣播所用的技術。

調幅示意圖。圖:Wikipedia

調幅無線電到了接收端,還得經過「解調」才能還原成原來的音訊。首先,由於天線接收無線電波後,所產生的感應電流也是交流電,因此必須先把反方向的電流去掉,成為單一方向的直流電;這個步驟便稱為「整流」。接著再濾掉其中的載波,留下的就是原來的音頻訊號。

范信達直到 1904 年才成功做出有整流功能的檢波器,並於 1906 年的聖誕夜成功發送 AM 廣播到大西洋上的美國軍艦。不過范信達所發明的檢波器不易製造,又常需要調校,只適合專業人士使用。而半導體的單向導電性恰好可以將交流電整流為直流電,這類礦石便可直接做為無線廣播的檢波器。

1906 年,匹卡德獲得矽石檢波器的專利,並在隔年創立公司,製造用耳機收聽的礦石收音機,銷售給一般大眾。由於價格低廉、體積小巧又不需要電,因此頗受歡迎。礦石收音機成為史上第一個半導體商品;誰會想到如今半導體與各種電子產品密不可分,但最早卻是以不用電為訴求。

匹卡德於1916年發明的矽石檢波器。圖:Wikipedia

三極真空管橫空出世

就在匹卡德於 1906 年申請專利這一年,美國專利局也收到另一項影響更深遠的專利申請,那就是由德佛瑞斯特 (Lee De Forest) 改良的新型真空管。

原本弗萊明 (John A. Fleming) 於1904 年發明的真空管只有正負兩極,德佛瑞斯特用金屬柵格擋在金屬片與燈絲之間,變成除了正、負極,還多了「柵極」(Grid) 的三極管

柵極用來控制電流大小。當柵極施以負電壓,產生的電場與電子相斥,部分電子便被擋下,無法抵達正極金屬片,電流也就變小了。負電壓越大,被擋下的電子越多,電流也就越小;柵極就像家裡的水龍頭,不用動到水管的閥門,就可以各自調節水流大小。

三極管在金屬片與燈絲之間多了金屬柵格。圖:Wikipedia

德佛瑞斯特原本設計三極管只是為了調節電流,他沒想到六年之後,這項設計竟被發掘出放大訊號的功能。

原本只有二極管時,若要調整電流大小,正極電壓就要有相對幅度的改變,就如前面水管的比喻,沒有水龍頭的話,只能從源頭閥門控制水量。例如要讓電流從 12 mA 減半降為 6 mA,電壓要從 110 V 降到 60 V;但若使用三極管,則無須改變正極電壓,只要對柵極施以 -2 V 的電壓就可以了。

三級管的電壓變化只需二級管的 1/25 ,便能達到同樣的效果(若搭配適當的阻抗,相差還能到百倍以上),就像水龍頭那樣,轉動一點點,出水量就差很多。如果讓柵極做為訊號的輸入端,正極做為輸出端,那麼原本微弱的訊號,就會放大成強烈的訊號。

有了三極管做為訊號放大器,無線電可以傳得更遠,收訊效果也更好,而且收音機還可以配上喇叭。隨著廣播電台自 1920 年代開始快速發展,真空管收音機也進入一般家庭,成為民眾重要的休閒娛樂與資訊來源。相對地,礦石收音機的收訊效果與方便性都遠遠不如,自然不受青睞,逐漸沒落。好不容易找到舞台的半導體於是又被棄置一旁,沒想到十幾年後,同樣是由來自 AT&T 的工程師,再度讓半導體起死回生。

德佛瑞斯特於1914年用三極管打造的訊號放大器。圖:Wikipedia

真空管搞不定短波

三極真空管有助於無線廣播,當然也有助於電話傳得更遠。 AT&T 利用真空管擴大電話網路,於 1915 年開通橫跨東西兩岸的長途電話。1927 年 1 月 7 日, AT&T 總裁進一步透過無線電波,從紐約打電話到倫敦,完成史上第一通越洋電話。不過這通電話只是試驗性質,真要提供越洋電話服務,還有項技術問題須要克服。

紐約與倫敦相隔甚遠,無線電波無法橫越地表弧度直接送達,必須經大氣的電離層反射到地面。然而一年四季、晴雨晨昏,大氣條件都不一樣,對電波的影響也大不相同。因此若要維持越洋電話全年暢通,通訊設備須要能夠收發不同波長的無線電波。不過真空管在高頻(也就是短波)的表現不是很好,如何克服這個問題便成為貝爾實驗室的首要任務。

貝爾實驗室於 1925 年成立,初期的工程師大多從 AT&T 陸續轉調過來,歐偉 (Russell Ohl) 也是其中之一,他對無線電的興趣始自大學時期。1914 年第一次世界大戰爆發,當時大學二年級的歐偉,在課堂上第一次聽到礦石收音機發出聲音,而且竟然是遠在大西洋的英國船隻,遭到德國潛艇攻擊所發出的求救訊號,從此他便對無線電深深著迷。

歐偉原本在 AT&T 就是負責短波的研發,1927 年轉到貝爾實驗室後仍繼續這個項目。他們不斷將無線電電波推向更高的頻率,但最終遇到瓶頸難以跨越。當其他同事仍執著於真空管時,歐偉於 1935 年決定從頭開始,一一檢視過去無線電的各種實驗與論文,從中發掘可行方案。最後他把目標瞄準礦石收音機的矽石,相信這才是解答。

歐偉 (Russell Ohl) 在他的實驗室裡。圖:Engineering and Technology History Wiki

一道裂痕開啟「矽」的半導體時代

礦石收音機不是才被真空管淘汰嗎?同事與主管都認為歐偉異想天開,但他認為只要去除矽石中的雜質,就能收發頻率更高的無線電波。歐偉自己多次嘗試用矽粉製造,卻不得其果,最後終於在 1939 年找到具有冶金專長的同事,用高溫熔製的方法精煉出高純度的矽。

1940 年 2 月 23 日,歐偉決定檢測一塊去年製出的矽石,據他的同事說,這塊矽石相當奇特,每次測的導電性都不一樣。歐偉仔細檢查這塊矽石,發現中間有條裂痕,他猜想這就是導電性不一致的原因,原本不以為意。但他接上示波器,赫然發現矽石在檯燈的照射下,竟然會產生電流。

光電效應是會產生電流,但那是以紫外線照射金屬,而這顆 40 W 的燈泡發出的是可見光,矽的導電性也遠遠不如金屬。雖然美國發明家弗里茲 (Charles Fritts) 曾於 1884 年將硒鍍上金箔,做成太陽能電池,但這樣的光伏效應 (Photovoltaic effect,也稱「光生伏特效應」) 轉換效率非常低,只有 1% 左右。歐偉所測到的電壓,超過當時所知的光電效應與光伏效應十倍以上,絕對是項前所未有的發現。

歐偉趕緊找主管來看,同時和同事繼續深入研究這塊矽石。他們發現電流總是由裂痕的上半部流往下半部,而不會反向而行。經過進一步分析發現,裂痕兩邊含有不同的雜質,上半部含有少許的硼,而下半部的雜質則是磷。

他們推測應該是這塊矽石經過高溫熔化,在自然冷卻的過程中,較重的磷下沉得比較快,較輕的硼下沉得比較慢,裂痕出現的地方剛好將這兩種元素阻隔開,以致矽石的上、下半部各有不同的雜質。

歐偉推測電流就是兩邊不同的雜質所致。磷有 5 個價電子,而硼有 3 個價電子,在白熾燈泡的照射下,磷的多餘電子被激發而越過裂痕,填補含硼那一邊矽石的電洞,而產生電流。這就類似電池的負極提供電子給正極,於是歐偉也用「n型」、「p型」來稱呼這兩種矽石,然後把劃分兩邊的裂痕——也就是這兩種半導體的接觸面——叫做「p-n 接面」(p-n junction)。這幾個名稱便一直沿用到現今的半導體。

半體體的基本名稱不但源自歐偉的命名,如今我們懂得利用摻雜來改變半導體的導電性,也是始自他這次的發現。不過對歐偉而言,他一心只想研究無線電波,發現半導體的光伏效應只是偶然,他無意也沒有能力再深究其中原理。

半導體的後續研究隨即由貝爾實驗室另一個團隊接手,這群有量子力學背景的物理學家將釐清 p-n 接面的奧秘,進而發明改變世界的電晶體。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代(十五)
張瑞棋_96
・2021/02/01 ・4303字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

本文為系列文章,上一篇請見:破解密碼到模仿遊戲——圖靈那些不可說或無人識的貢獻│《電腦簡史》數位時代(十四)

全世界只需要五台電腦?

「我想電腦的全球市場大概五台吧。」 ——IBM 總裁華生 (Thomas Watson),1943 年。

這句話現在看起來相當荒謬可笑,尤其竟然出自 IBM 總裁口中,更令人覺得匪夷所思。當然,用現今個人電腦的市場規模來評判華生這句話並不公平,畢竟當時根本無法想像家家戶戶有電腦。

不過再怎麼樣,中大型電腦的市場規模也絕對不只個位數吧?IBM 自己是靠製表機起家,為政府部門、鐵道公司、壽險公司等大型機構做資料統計都超過三十年了,為什麼仍會如此低估電腦的需求?

IBM 首任總裁華生。圖:Wikipedia

其實華生才於 1939 年親自拍板定案,與哈佛大學共同開發電腦,他絕對有想到其它大學肯定也有電腦的需求。同時他也應該知道軍方為了二次大戰,正在積極打造電腦,用來計算彈道、製作射表。

只不過對華生而言,這些電腦都是為了特定用途打造,而且是採合作開發的模式,在他眼中並不是可商品化的產品,他要的是可以直接採用標準產品的商用市場。然而當時需要大量計算的企業本來就寥寥可數,況且那些計算工作也多是簡單的統計分析,用 IBM 的製表機就綽綽有餘了。所以華生當時看衰電腦市場也是有其道理。

華生的觀點恰恰反映了電腦在那個時代所扮演的角色:計算高深複雜的數學方程式。而這顯然只有學者才會用到,要不是為了本身的科學研究,就是幫軍方計算彈道、空氣動力學之類的。

事實上,當時也的確都是大學與軍方這兩個單位在推動電腦的開發(貝爾實驗室雖然一開始是自己主動打造複數計算機,但後來就中止電腦研發,直到戰爭爆發,才接受軍方委託繼續開發)。如果電腦用途只侷限於此,華生的預言恐怕就八九不離十。所幸二次大戰結束後,商用市場興起,電腦產業才有今日的榮景。不過你大概想不到,第一家打造商用電腦的竟不是 IBM 之類的電腦公司,而是英國一家餐飲企業。

餅乾工廠與劍橋大學

萊昂企業 (J. Lyons and Co.) 於 1884 年成立時只是一間小茶館,後來不但發展為遍布英國的連鎖茶館,還拓展出甜點、餐廳等不同連鎖店,並且自己設廠生產各種餅乾、糕點。二次大戰後,管理階層鑒於組織越來越龐大,想要從美國購置事務機器來提升管理效率。

萊昂企業旗下的連鎖餐廳,攝於 1942 年。圖:Wikipedia

結果他們蒐集各方資料後,發現美國陸軍於 1946 年 2月公開發表了第一台通用型電子計算機 ENIAC。萊昂企業高層對此極感興趣,於是派人於 1947 年 5 月前往美國參訪考察。

他們拜訪了高士汀(前情提要:他在戰時代表陸軍派駐在摩爾電機學院,負責協調 ENIAC 的設計與建造。就是他主動把馮紐曼撰寫的〈EDVAC 報告初稿〉分送給美、英兩國的相關機構,促成了許多部馮紐曼架構的電腦誕生),表明想要建置一台電腦。高士汀好心的告訴他們不用捨近求遠,離他們公司總部不遠的劍橋大學就有團隊正在打造電腦。

原來劍橋大學的物理學家威爾克斯 (Maurice Wilkes) 也拿到一份〈EDVAC 報告初稿〉,而且比圖靈幸運的是,他有位研究生二次大戰時曾在海軍服役,負責設計雷達所用的延遲線記憶體,因此知道如何打造水銀延遲線。

雖然技術上的障礙克服了,但劍橋大學校方對開發電腦興趣不大,不願給予經費,威爾克斯只好一邊著手設計,一邊尋找經費來源。沒想到幸運之神再次眷顧,萊昂企業竟然主動找上門來,願意贊助開發經費,以換取威爾克斯協助他們打造商用電腦。

威爾克斯設計的「電子延遲存儲自動計算機」(Electronic Delay Storage Automatic Calculator,簡稱 EDSAC)  不到兩年就完工,於 1949 年 5 月 6 日成功執行了計算平方數的程式,成為繼曼徹斯特寶寶之後,第二台可存取程式的數位電腦。

EDSAC 創下的諸多第一

不過嚴格來說,曼徹斯特寶寶原本就是為了打造曼徹斯特一號而試做的先導機型,只能做簡單的計算,輸入/輸出裝置也相當克難,功能相當有限。因此若以真正具有完整功能的電腦而言,第一台可存取程式的電腦應該是 EDSAC;曼徹斯特一號則以 40 天的差距屈居第二。

完工後的 EDSAC,左方即設計者威爾克斯。圖:Wikipedia

還有幾項電腦史上的第一也與 EDSAC 有關。在機器剛開機時,會先有基本程序讓相關元件就緒,這是靠一連串的電子訊號控制電磁開關來完成。負責程式設計的研究生惠勒 (David Wheeler) 將開機程序改用一組初階指令 (initial orders) 控制,這組指令用英文代碼描述,方便程式設計師以更直觀的方式設定機器。

惠勒所設計的初階指令就是最早的組合語言 (assembly language),他因此被視為「組譯器」(assembler,將組合語言轉換成機器碼的系統) 的發明人。1951 年,惠勒以〈用 EDSAC 做自動計算〉這篇論文取得博士學位,成為史上第一位電腦科學博士

EDSAC 完工後,威爾克斯並沒有敝帚自珍,反而很快地自 1950 年開始開放給外界使用,他為此與惠勒編寫了史上第一本電腦程式的教科書,讓有意使用 EDSAC 的學者知道如何撰寫程式。這其中有四位後來獲得諾貝爾獎(兩位合得 1962 年化學獎、一位獲 1963 年醫學獎,還有一位是 1974 年物理獎得主),他們還特別在頒獎典禮上,致辭感謝 EDSAC 對他們的研究有很大的幫助。

順帶一提,史上第一個視覺化的電腦遊戲也是出現在 EDSAC 上。EDSAC 原本配有監測電路用的陰極射線管;1952 年,一位研究生寫了井字遊戲的程式,讓人與電腦對弈,井字與 ”O”、”X” 符號就直接呈現在陰極射線管上。

世上首部商用電腦誕生

威爾克斯如願完成 EDSAC 後,當然要履行對幕後金主萊昂企業的承諾。萊昂企業高層對電腦的冀望極高,特地設置了一個專責部門「萊昂電子辦公室」(Lyons electronic office,簡稱 LEO),而且並非採購現成的機種,而是要自己打造量身訂做的電腦;名稱就取為「里歐一號」(LEO 1)。

第一部商用電腦「里歐一號」。圖:Wikipedia

里歐一號完全參考 EDSAC 的設計,惟記憶容量擴增為兩倍,很快就於 1951 年 2 月竣工。11 月,萊昂企業開始將訂單、配銷、庫存等管理系統電腦化,首度實現今日通稱的「管理資訊系統」(Management Information System),里歐一號也因此成為世上第一部商用電腦。

到目前為止,英國在電腦發展上仍然領先美國。儘管曼徹斯特大學與劍橋大學都是取得〈EDVAC 報告初稿〉後,才開始設計馮紐曼架構的電腦;其中幾人還特地飛到美國,參加摩爾電機學院的暑期課程,才習得相關的電腦知識,但英國團隊卻比美國更早打造出機器。

英國除了率先達成好幾項技術上的里程碑,在軟體應用上也更勇於嘗試。當萊昂企業開始導入管理資訊系統時,美國的電腦主要仍用於科學計算或為政府部門解決特定問題。至於掌握商用市場的 IBM,仍然用機電式的製表機,為客戶處理簡單的加減乘除。

英美兩國電腦實力的消長

不過美國的落後純屬偶然。EDVAC 是因為核心成員紛紛離去,以致延宕到 1952 年 2 月才完工。悻悻然自行創業的莫奇利與艾科特因為從頭開始,所以 1949 年 3 月才完成美國第一部可存取程式的電腦「二進位自動計算機」(Binary Automatic Computer,簡稱 BINAC),比英國的曼徹斯特寶寶晚了近一年。回到普林斯頓高等研究院的馮紐曼畢竟是學者而非工程師,直到 1952 年 1 月才所打造出 IAS 機器。

沉睡的 IBM 也即將甦醒。由於韓戰爆發,美國國防部須要進行核彈的計算,IBM 終於在 1952 年 4 月推出高速運算的「國防計算機」(The Defense Calculator),這是 IBM 第一部馮紐曼架構的真空管電腦。既然都已經開發了,這又是通用型計算機,可以執行各種程式,那就更名為 701,推到商用市場試試看吧。於是 IBM 自 1953 年開始向企業用戶推銷 701,從此開啟了 IBM 主宰中大型電腦市場的時代,也標誌了美國後來居上的開始。

IBM 701 的運算單元。圖:Wikipedia

順帶一提,文章一開頭引述 IBM 總裁華生所說的那句話,據信其實就是出自他在 1953 年的股東大會上,報告 701 的銷售成果時所說的:「我們巡迴拜訪客戶前,原本預期訂單頂多 5 台,結果拿了 18 張訂單回來。」後來以訛傳訛,才演變成他在 1943 年說了那句名言。

華生那次巡迴其實只拜訪了 20 家客戶,結果高達九成願意購置電腦,證明了商用電腦確實有相當的市場需求。IBM 光是隔年推出的平價機型 650,就在八年內賣出兩千部,其它七家規模較小的電腦公司也都頗有斬獲;市場上還幫他們取了「白雪公主與七矮人」的暱稱。

美國電腦產業風起雲湧,迅速地把原本領先的英國拋在腦後,實乃大時代下的必然結果。歐洲國家歷經二次大戰的蹂躪,國力嚴重耗損,相對地,美國本土則完全未受戰火波及,加上為盟國生產大量武器軍需,帶動經濟大幅成長,因而促進商用電腦的需求。而且如之前在介紹凡納爾.布希時提到的,在他的大力推動下,美國政府將研究經費下放給大學或民間的實驗室,不僅促進產業發展,也讓技術在民間扎根,科技實力因而大幅領先全世界。

磁性記憶體

電腦相關的技術也是如此。以記憶體來說,水銀延遲線與威廉斯管這兩種裝置都過於昂貴,使得電腦造價讓企業用戶望之卻步。雖然早在十九世紀末,就有人利用電磁感應錄下聲音,但記錄資料卻始終難以實現。

直到 1947 年,美國一家「工程研究公司」(Engineering Research Associates) 才在海軍的委託下,開發出「磁鼓記憶體」(Magnetic Drum Memory)。它的原理類似硬碟,只不過磁性材料是噴塗在圓筒表面。

1958年的磁鼓記憶體。圖:Wikipedia

雖然磁鼓記憶體因為有轉動的機械動作,資料存取速度比不上水銀延遲線與威廉斯管,卻因為容量大、可靠性高、無揮發性(意思是不插電時,資料也不會消失),成本又低,成為實現平價電腦的一大關鍵。IBM 650 就是用了磁鼓記憶體,才得以降低售價。

1949 年,磁性記憶體又往前推進一步。時任艾肯研究助理的華裔物理博士王安,在參與打造「哈佛四號」電腦時,發明了「磁芯記憶體」(Magnetic Core Memory)。這是將電線穿過許多磁環構成的陣列,沒有任何機械動作,只有電流穿梭其中,所以速度飛快。但因為造價高昂,只用於高階機種或是核心記憶體。

就在記憶體的技術取得新的進展之際,有一項革命性的發明也在貝爾實驗室悄悄展開,這項發明將徹底改變電腦的樣貌,將電腦帶向另一個新世紀。那就是——電晶體。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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劃破黑暗時代,十字軍東征為歐洲文明傳遞知識聖火│《電腦簡史》 齒輪時代(十)
張瑞棋_96
・2020/04/27 ・2123字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

先前在《電腦簡史》 齒輪時代(六)提及,羅馬帝國分裂後,希臘典籍原本早已損毀甚鉅。日耳曼蠻族接管歐洲後,又因為教會強力鉗制學術思想,而進入黑暗時代。是什麼樣的契機,讓十字軍得以帶回君士坦丁堡保存的許多希臘著作,以及伊斯蘭地區的阿拉伯書籍?十字軍東征促成了經濟趨向繁榮外,對於歐洲文明又形成了什麼樣的重大影響?

本文為系列文章,上一篇請見:西方第一座水力天文鐘——給你聲光饗宴的城堡天文鐘│《電腦簡史》 齒輪時代(九)

一封來自拜占庭皇帝的求援信,間接促成歐洲貿易、文化再次興盛?!

1095 年三月,拜占庭帝國的特使千里迢迢來到羅馬,向教宗烏爾班二世 (Pope Urban II) 遞交一封拜占庭皇帝的親筆信函。烏爾班二世打開一看,竟然是封求援的信。原來塞爾柱土耳其人 (Seljuk Turks) 近年來攻城略地,不但取代阿拉伯的阿拔斯王朝,成為伊斯蘭世界的新霸主,也強佔拜占庭帝國大半國土。如今更逼近君士坦丁堡,拜占庭帝國已經岌岌可危。

其實君士坦丁堡教會和羅馬教會交惡已久;四十一年前,雙方還鬧到互不承認,而分裂成東正教與天主教至今。因此對於烏爾班二世而言,這或許是讓君士坦丁堡教會向羅馬臣服的大好機會。更何況唇亡齒寒,塞爾柱帝國如果滅了拜占庭帝國,再來就直接威脅到西方基督教徒了。

因此他同年七月返回家鄉法國後,便四處演說,鼓吹民眾加入遠征軍,從異教徒手中奪回聖城耶路撒冷。不過群眾並未馬上響應,直到十一月底,烏爾班二世在克列芒 (Clermont) 向廣場群眾發表演說,宣稱為聖戰犧牲者可以洗清生前罪孽,進入天堂,才引發熱烈響應,而開啟第一次「十字軍東征」。

烏爾班二世在克列芒 (Clermont) 市場向群眾發表第一次十字軍東征的演說。圖\wikipedia

第一批率先出發的十字軍,其實是一般平民組成的「烏合之眾」,隨後才由貴族各自帶領正規軍遠征。出乎意料地,十字軍竟一路過關斬將,成功於 1099 年中攻下耶路撒冷,在此建立基督教的耶路撒冷王國。

奇怪,伊斯蘭大軍不是驍勇善戰,勢如破竹地快把拜占庭帝國滅了嗎?怎麼會輸給歐洲倉促組成的雜牌軍?這是因為塞爾柱帝國的蘇丹王突然遭人暗殺,各派人馬為爭奪權位而互相廝殺,帝國因此分崩離析,才讓十字軍有機可乘。

到了十二世紀下半葉,庫德人薩拉丁 (Saladin) 建立的埃宥比王朝 (Ayyubid dynasty) 又一統伊斯蘭世界後,便再奪回耶路撒冷。之後歐洲又多次派十字軍東征,雙方不斷交鋒,互有勝負,直到十三世紀末,歐洲民眾對聖戰已失去熱情,歷時兩百年的十字軍東征終於告一段落。

薩拉丁 (Saladin) 建立埃宥比王朝 (Ayyubid dynasty) ,並率兵一統伊斯蘭世界,奪回聖城耶路撒冷。圖\wikipedia

歐洲民眾之所以不再熱衷於聖戰,經濟越來越繁榮是一個很大的因素。由於歐洲在九世紀至十三世紀之間,進入「中世紀溫暖期」,溫暖的氣候有利於植物生長,可耕種的土地也大幅增加,糧食與畜牧的產量隨之提升,得以供養更多人口,促進社會繁榮。

到了十三世紀,歐洲地區的人口與經濟便開始快速成長。而當初參與十字軍東征的民眾,主要都是社會底層的窮困階級。他們原本就基於:「反正沒甚麼好損失的,不如賭一把」的心態加入十字軍,如今歐洲內部有那麼多謀生、致富的機會,也就沒必要冒死遠赴戰場了。

十字軍東征雖然到頭來也沒收復多少領土,卻也不是徒勞無功。因為遠征所需的武器配備、後勤支援,原本就會促進各項生產與商業貿易,所以對歐洲的經濟成長也助了一臂之力。不過更重要的是,歐洲文明因此才得以邁向光明。

十字軍東征撒種典籍,歐洲知識文明再次萌芽

之前提到,羅馬帝國分裂為東西兩個帝國後,歐洲地區的希臘典籍原本就已經銷聲匿跡。日耳曼蠻族接管歐洲後,又因為教會強力鉗制學術思想,而進入黑暗時代。如今因為十字軍東征,君士坦丁堡保存的許多希臘著作,以及伊斯蘭地區的阿拉伯書籍,才終於被十字軍帶回歐洲。

十字軍東征在歷史意義上,很多人會解讀為基督教及伊斯蘭教的宗教之戰,但實際上其背後為歐洲帶來的經濟效益及文明之大。圖\wikipedia

而在第一次十字軍東征之前,歐洲西部幾個基督教王國也展開「收復失地運動」,進攻伊比利半島上的伊斯蘭王國,也在西班牙與北非的阿拉伯圖書館發現大量文獻典籍。於是自十二世紀開始,這些典籍陸續被翻譯為拉丁文,在歐洲出版,基督教世界的學者們才終於一睹這批無價的知識寶藏。例如歐幾里得的《幾何原本》、托勒密的《天文學大成》、亞里斯多德等希臘學者的著作,以及代數、三角學與阿拉伯數字這些數學觀念,都是此時才被引介到基督教世界,成為歐洲啟蒙的種子。

當然,還得有適當的條件,種子才能萌芽。隨著歐洲社會步向繁榮,經濟活動愈來愈頻繁,各種文件記錄也大幅增加,例如人員、財產、土地都要造冊存檔,還有交易紀錄、商業合約、法院訴訟等等也都需要大量能讀能寫的人。因為社會需才孔急,教會於是主動要求各地教堂開辦學校,使得歐洲的識字人口在十三世紀大幅增加,知識的傳播才逐漸在歐洲遍地開花——這其中,也包括了希臘學者與伊斯蘭學者所奠基的齒輪技術。

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