Р. С. ГУТЕР Ю.Л.ПОЛУНОВ |
От абака до компьютера ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ |
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1981 |
НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ, ПРЕДВАРЯЮЩИЕ КНИГУ
История науки и есть сама наука.
И. В. ГЕТЕ (1749-1832)
Появление электронных вычислительных машин, или компьютеров (от английского compute—вычислять),— одна из существенных примет современной научно-технической революции. ЭВМ открывают новую страницу в истории человеческих знаний и возможностей. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стало знакомиться с основами вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры.
История развития средств инструментального счета известна при этом в значительно меньшей степени.
Поэтому авторы, занимающиеся собственно вычислительной математикой и вычислительной техникой, взяли на себя смелость совершить экскурсию в историю и популярно рассказать о некоторых этапах развития идеи инструментальных вычислений. Однако наша книга не претендует на полноту изложения, и ее не следует рассматривать ни как учебник, ни как справочное руководство.
Книга посвящена в основном истории средств дискретной вычислительной техники. Интересующихся историей аналоговых машин мы отсылаем к иным источникам *.
• Из них в первую очередь следует упомянуть интересную книгу польского писателя А, Эмпахера «Сила аналогий» (М., «Мир», 1965).
Часть I Первые шаги
Хотя Прометей в трагедии Эсхила утверждает: «Подумайте, что смертным сделал я: число, им изобрел и буквы научил соединять», понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.
Счет, или шире — вычисления, может быть осуществлен в различных формах: существует устный, письменный и инструментальный счет. Средства инструментального счета в разные времена имели различные возможности и назывались по-разному: счетные доски, абаки, счетные инструменты, снаряды, приспособления, приборы, машиныи,наконец, с середины нашего столетия — компьютеры.
В этой части мы познакомимся с первым этапом в истории инструментального счета, знаменующимся распространением различных «абаковидных» счетных инструментов и изобретением логарифмической линейки.
ОТ АБАКА...
Бирки и веревки с узелками не могли удовлетворить возраставшие в связи с развитием торговли потребности в средствах вычисления. Развитию же письменного счета препятствовали два обстоятельства.
Во-первых, не было подходящего материала для выполнения вычислений — глиняные и восковые таблички для этого не годились, пергамент был изобретен лишь в V веке до и. э. (да и был слишком дорог), а бумага появилась значительно позже (в Европе—'около XI Столетия). Во-вторых, в тогдашних системах счисления письменно выполнить все необходимые операции было сложно. Попробуйте, например, перемножить CLVI на LXXIV, пользуясь римской системой счисления! Этими
обстоятельствами-можно объяснить появление специального счетного прибора, известного в древности под именем абака.
Происхождение термина «абак» не установлено. Большинство историков производят его от семитического корня; согласно этому толкованию абак означает дощечку, покрытую слоем пыли. В своей примитивной форме абак действительно представлял собой такую дощечку. На ней острой палочкой проводились линии и какие-нибудь предметы, например камешки или палочки, размещались в получившихся колонках по позиционному принципу. На рис. 6, не требующем комментариев, показана последовательность выполнения сложения 258 + 54 на абаке. Вычитание выполнялось изъятием камешков, умножение и деление—как повторные сложения и вычитания соответственно.
По свидетельству Геродота, египтяне пользовались абаком, причем в отличие от греков передвигали камешки не слева направо, а справа налево. Отсюда видно, что в эпоху Геродота абак и в Греции, и в Египте уже получил широкое распространение. Историки полагают^ что в Грецию абак был завезен финикийцами и стал там «походным инструментом» греческих купцов. Значения, приписываемые камешкам в различных колонках, обычно сообразовывались с соотношениями различных денежных единиц. Например, у историка Полибия мы встречаем слова: «Придворные—как камни на счетной доске; захочет счетчик, и они будут стоить один халк, а захочет—так и целый талант» (и халк и талант— денежные единицы.—Авт.).
В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготовлялся из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло позднейшее латинское calcu-latore (вычислять) и наше—«калькуляция». Сохранился бронзовый римский абак, на котором calculi передвигались в вертикально прорезанных желобках. Внизу помещали камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось отделение для камешка, соответствующего пятерке (рис. 1).
Китайцы заменили камешки бусинками (или шариками), нанизанными на прутики, проволоки или веревки. Китайская разновидность абака — суаньпань — появилась, вероятно, в VI веке н. э.; современный тип этого
счетного прибора был создан позднее, по-видимому в XII столетии (рис. 3). Суаньпань представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки числом от 9 и более;
перпендикулярно этому направлению суаньпань перегорожен линейкой на две неравные части. В большом отделении («земля») на каждой проволоке нанизано по 5 шариков, в меньшем («небо») — по два; первые как бы соответствуют пяти пальцам руки, вторые— двум рукам. Проволоки соответствуют десятичным разрядам.
Японский абак — соробан (рис. 3) — происходит от
китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV—XVI веках. Соробан проще своего предшественника, у него на «небе» на один шарик меньше, чем у
суаньпаня.
Наконец на рубеже XVI—XVII веков появляется русский абак — счеты, о которых мы поговорим несколько
позже.
СЧЕТ НА ЛИНИЯХ...
...представляет собой горизонтально разлинованную таблицу, на которой выкладываются специальные жетоны. Горизонтальные линии таблицы соответствуют единицам, десяткам, сотням и т. д. На каждую линию кладут до четырех жетонов; жетон, помещенный между двумя линиями, означает пять единиц ближайшего разряда,, соответствующего нижней линии. В вертикальном
направлении таблица расчерчивается на несколько столбцов для отдельных слагаемых или сомножителей
(рис.5).
. Счет на линиях и счетные таблицы особое распространение получили в XV—XVI столетиях. В Нюрнберге, например, изготовлением счетных жетонов занималась целая отрасль промышленности, поставлявшая всей Европе жетоны различной формы, чеканки и стоимости. Большим разнообразием отличались и счетные таблицы, начиная специальными столами и кончая платками. В английском государственном казначействе в качестве счетной таблицы использовалась разделенная на клетки (chequer) скатерть, покрывавшая стол, на котором производился счет. Поэтому казначейство (exchequer) называлось Палатой шахматной доски.
Счетные таблицы два с лишним столетия были необходимой принадлежностью купца и чиновника, ученого и школяра. Счет на линиях вспоминают герои Шекспира — шут в «Зимней сказке» затрудняется решить задачу, не имея под рукой жетонов; Мольер в одной из своих последних постановок «Мнимого больного» заставил героя раскладывать на столе жетоны, чтобы проверить счета аптекаря; Лейбниц предпочитал счет на линиях арифметическим выкладкам на бумаге; в Германии, где этот способ удерживался до XVIII столетия, был известен экспромт, обычно приписываемый прусскому королю Фридриху II:
Придворные — точь-в-точь жетоны, всеих значенье — в положенье. В фаворе значат миллионы, ' но лишь нули в пренебреженье *.
Впрочем, читатель может уличить короля в плагиате (быть. может, невольном), если вспомнит слова Поли-
бия.
Счет на линиях был известен и в России. Под названием «счет костьми» он был описан в древнерусском учебнике арифметики XVII века «Сия книга глаголема по еллински и по гречески арифметика, а по немецки алгоризма, а по русски цифирная счетная мудрость».
Еще раньше Генрих Штаден, немецкий авантюрист, находившийся в России с 1564 по 1576 год, отмечал в своих записках: «В Русской земле счет ведут при помо-
* Перевод проф. А. П. Юшкевича.
щи сливяных косточек» (этим и объясняется замена европейского термина «счет на линиях» русским «счетом костьми»).
Но если в Европе счет на линиях постепенно был вытеснен письменными вычислениями на бумаге, то в России счет костьми не выдержал конкуренции в борьбе с уникальным и замечательным средством вычислений — русскими счетами.
СУДЬБА еДОЩАНОГО СЧЕТА»
Долгое время считалось, что русские счеты ведут свое происхождение от китайского суаньпаня, и лишь в начале 60-х годов нашего столетия ленинградский ученый И. Г. Спасский убедительно доказал оригинальное, русское происхождение этого счетного прибора—у него, во-первых, горизонтальное расположение спиц с косточками и, во-вторых, для представления чисел использована десятичная (а не пятеричная) система счисления.
Десятичный строй счетов — довольно веское основание для того, чтобы признать временем возникновения этого прибора XVI век, когда десятичный принцип счисления был впервые применен в денежном деле России.
В 30-е годы XVI века московское правительство, возглавляемое Еленой Глинской, матерью малолетнего Ивана Грозного, провело денежную реформу, объединив московскую и новгородскую денежные системы. Московская деньга, составлявшая в то время '/гоо московского рубля, и ее половина — полушка — стали половиной и четвертью новой основной монетной единицы, которая получила название «копейка». Благодаря введению копейки рубль стал делиться на 100 основных единиц.
Вероятно, в это время, а может быть, и немного позже какому-то наблюдательному человеку пришла в голову мысль заменить горизонтальные линии счета костьми горизонтальными натянутыми веревками, навесив на них, по существу, все те же «кости». Может быть, идею такого устройства ему подсказали четки, этот древнейший примитивный счетный инструмент, широко распространенный в русском быту XVI века. Недаром великий ученый и путешественник Александр Гумбольдт, обративший внимание на сродство счетов и четок, рассматривал четки как «ритуальную счетную машину».
Впрочем, в XVI веке термина «счеты» еще не существовало и прибор именовался «дощаным счетом». Один из ранних- образцов такого «счета» представлял собой два соединенных ящика, одинаково разделенных по высоте перегородками. В каждом ящике два счетных поля с натянутыми веревками или проволочками. На верхних 10 веревках по 9 косточек (четок), на 11-й их четыре, на остальных веревках — по одной. Существовали и другие варианты «дощаного счета».
Название прибора изменилось в XVII столетии. Так, в «Переписной книге домной казны патриарха Никона 1658 г.» среди «рухляди» Никонова келейного старца Сергия упомянуты «счоты», которые, по свидетельству археологов и историков, в XVII столетии уже изготовлялись на продажу.
Широкое использование в торговле и учреждениях невиданного на Западе счетного инструмента отмечали в XVII—XVIII столетиях многие иностранцы. Английский капитан Перри, находившийся в России с 1698 по 1712 год и издавший по возвращению на родину книгу «Положение России при нынешнем царе с описанием татар и других народов» (1716), писал: «Для счета они пользуются изобретенным ими особым прибором с нанизанными на проволочные прутья шариками от четок или бусами, который они устраивают в ящичке или небольшой раме, почти не отличающейся от тех, которыми пользуются у нас женщины, чтобы ставить на них утюги... Передвигая туда и сюда шарики, они справляются с делением и умножением разных сумм...»
Ко времени посещения капитаном Перри России счеты уже приняли вид, существующий и поныне. В них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось либо 10, либо 4 косточки (спица с четырьмя четками — дань «полушке», денежной единице в '/4 копейки).
Хотя форма счетов остается неизменной вот уже свыше 250 лет, на протяжении трех столетий было предложено немало модификаций этого элементарного, но полезного прибора.
В этом ряду заслуживает упоминания в первую очг-редь счетный прибор генерал-майора русской армии Ф. М. Свободского, изобретенный им в 1828 году. Прибор состоял из нескольких обычных счетных полей, которые использовались для запоминания промежуточных
результатов при умножении и делении или других действиях. Автор разработал простые правила сведения арифметических действий к последовательности сложений и вычитаний, что вместе с запоминанием нескольких простых вспомогательных таблиц (вроде таблицы умножения) заметно сокращало время вычислений. Комиссии инженерного отделения ученого комитета Главного штаба и Академии наук одобрили способ Ф. М. Свободского и рекомендовали ввести его преподавание в российских университетах. В течение нескольких лет такое преподавание действительно велось в университетах Петербурга, Москвы и Харькова.
Другие интересные модификации русских счетов были предложены А. Н. Больманом (1860) и Ф. В. Езер-ским (1872). Счетами занимался и известный русский математик академик В. Я. Буняковский, который, будучи еще молодым адьюнктом, входил в 1828 году в комиссию Академии наук, рассматривавшую счетный прибор Ф. М. Свободского. В 1867 году В. Я. Буняковский изобрел «самосчеты»; в основе этого приспособления для многократных сложений и вычитаний лежит принцип действия счетов.
Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметике в качестве учебного пособия. Благодаря известному французскому математику и механику Ж. Понселе, который познакомился со счетами в Саратове, будучи военнопленным офицером наполеоновской армии, аналогичный прибор появился во французских школах, а затем и в некоторых других странах Европы.
поэзия вычислении
И в вычислениях на логарифмической линейке можно найти известную поэзию.
К. Ф. ГАУСС (1777-1855)
.„словдо пена Опадают наши рифмы, И величие
степенно Отступает в логарифмы.
Б. СЛУЦКИЙ (р. 1920) ШОТЛАНДЕЦ, ВАЛЛИЕЦ И АНГЛИЧАНЕ
Нам, живущим в эпоху широкого распространения вычислений, нелегко даже вообразить, сколь затруднительны для людей XVI—XVII столетий были обычные арифметические операции, особенно с большими числами.
Обратимся к «свидетельским показаниям».
Чиновник британского адмиралтейства Сэмюэл Пе-пис заносит 4 июля 1662 года в свай дневник следующую запись: «К пяти часам утра, приведя в порядок свой журнал, я отправляюсь в контору. Вскоре туда приходит м-р Купер, с помощью которого я надеюсь изучить математику... (я пытаюсь, прежде всего, выучить таблицу умножения)...»
Пепис был человеком хорошо образованным для своего времени и имел кембриджский диплом. Впоследствии он стал президентом Королевского общества и другом Исаака Ньютона. Однако и ему приходилось «бороться» с таблицей умножения, чтобы осилить простые вычисления, необходимые при закупке адмиралтейством пеньки или древесины. Что же говорить о необразованных землемерах, моряках, каменщиках, плотниках, профессиональное искусство которых все в большей степени начинало зависеть от умения быстро и правильно вычислять!
Понятно, какое значение имело изобретение логарифмов.
И. Кеплер писал тюбингенскому профессору математики В. Шиккарду: «...Некий шотландский барон, имени которого я не запомнил, выступил с блестящим дости-
жением: он каждую задачу на умножение и деление превращает в чистое сложение и вычитание...» «Неким шотландским бароном» был Джон Непер, с которым мы еще встретимся в этой книге. В 1614 году он опубликовал знаменитый трактат (Mirifici logarithmorum canonis descriptio» («Описание удивительных таблиц логарифмов») .
Вскоре появляются и другие логарифмические таблицы. Они упростили вычисления, но все же эта операция оставалась достаточно трудоемкой и утомительной для тех, кому приходилось ею заниматься ежедневно. Поэтому вслед за изобретением логарифмов делаются попытки механизировать логарифмические вычисления.
Наиболее удачной была идея профессора астрономии Грэшемского колледжа Эдмунда Гюнтера. Он построил логарифмическую шкалу, которая использовалась вместе с двумя циркулями-измерителями. Эта шкала («шкала Гюнтера») представляла собой прямолинейный отрезок, на котором откладывались логарифмы чисел или тригонометрических величин. (Несколько, таких шкал наносились на деревянную или медную пластинку параллельно.) Циркули-измерители нужны были для сложения или вычитания отрезков вдоль линий шкалы, что в соответствии со свойствами логарифмов позволяло, находить произведение или частное.
На рис. 7 приведен вариант шкалы Гюнтера, заимствованный из английского издания популярной в XVIII веке книги французского механика Н. Биона «Конструкция и применение математических инструментов» (1723). На пластинке 600мм в длину и 37 мм в ширину расположены 6 логарифмических шкал: чисел, синусов, тангенсов, синус-верзусов (была когда-то такая тригонометрическая функция sin vers a = 1 —cos а), синусов и тангенсов малых углов, синусов и тангенсов румбов, а также равномерные шкалы — «линия меридиана» и «линия равных частей».
Об авторе логарифмической шкалы, которая является прародительницей логарифмической линейки, известно немногое. Эдмунд Гюнтер (1581—1626), родом валлиец, учился в Оксфорде, где в 1615 году получил степень бакалавра богословия. В 1619 году он избирается профессором Грэшемского колледжа, а в следующем году публикует книгу «Canon triangulorum», в которой помещает вычисленные им таблицы логарифмов синусов и тангенсов и описание своей логарифмической шкалы, Гюнтер известен также и тем, что впервые ввел
общепринятое теперь обозначение log и термины «косинус» и «котангенс».
В России первое описание шкалы Гюнтера было сделано соратником ПетраI, профессором Морской академии А. Фархварсоном в книге: «Книжица о сочинении и описании сектора, скал плоской и гунтеровской со употреблением оных инструментов в решении разных математических проблем от профессора математики Ан-дреа Фархварсона-изданная» (1739).
Андрей Данилович Фархварсон был примечательной фигурой в истории русской культуры. Он родился в Шотландии в середине XVII столетия и во время посещения Петром I Лондона (1698) был профессором математики Абердинского университета. Приглашенный Петром в Россию, он принял деятельное участие в организации Математической и навигацкой школы, открытой 19 августа 1699 года в Москве, в Сухаревой башне. Фархварсон состоял преподавателем школы до 1715 года, после. чего был переведен в только что открытую в Петербурге-Морскую академию.
В академии Фархварсон преподавал арифметику, геометрию, плоскую и сферическую тригонометрию, геодезию и навигацию. Свободно зная латынь и основные европейские языки, он писал и преподавал по-русски. В 1737 году по случаю представления его к званию бригадира Адмиралтейств-коллегия писала: «За знатные его на пользу государства службы дела... награды сей он достоин, понеже через него первое обучение математике в России было введено и едва ли не все при флоте Ея Императорского Величества росийские подданные, от высших и до низших, к мореплаванию в навигацких науках обучены».
Усовершенствованию и популяризации шкалы Гюнтера способствовал англичанин Эдмунд Уингейт (1596— 1656) —математик, политический деятель и плодовитый писатель, издавший о ней в 1624 году отдельную книгу.
Рядом с основной логарифмической шкалой чисел Уингейт поместил две шкалы, построенные в половинном масштабе на одной прямой и три шкалы в масштабе '/з — на другой. Перенося измерителем отрезки с обычной шкалы на двойную и на тройную и наоборот, можно осуществлять возведение числа в квадрат, в куб и извлечение квадратного или кубического корня.
«У ПОЭТОВ ЕСТЬ ТАКОЙ ОБЫЧАИ...»
«У поэтов есть такой обычай: в круг сойдясь, оплевывать друг друга». Печальный этот обычай наблюдается иногда не только среди плохих поэтов, о которых писал Дмитрий Кедрин, но и среди некоторых ученых и инженеров. Изобретатели первых логарифмических линеек Уильям Отред и Ричард Деламейн не составляют
в данном случае исключения.
В большинстве приоритетных споров время обычно расставляет все по своим местам, но здесь и оно оказалось бессильным. Мы даже не знаем точной даты изобретения логарифмической линейки. Можно лишь с уверенностью утверждать, что это произошло между
1620 и 1630 годами.
Уильям Отред (1574—1660)—замечательный английский математик и педагог. Сын священника, выходец из старинной семьи Северной Англии,. он учился сначала в аристократическом Итоне, а затем в кембриджском Королевском колледже, специализируясь по математике. В 1595 году он получил первую ученую степень и стал членом совета колледжа.
В последующие годы Отред совмещал занятия по математике с изучением богословия и в 1603 году был посвящен в сан священника. Вскоре он получил приход в местечке Олбьюри, вблизи Лондона, где и прожил большую часть своей жизни. Однако истинное призвание преподобный отец Уильям нашел в преподавании
математики.
«Он был жалкий проповедник,— писал его современник,— все его мысли были сосредоточены на математике, и он все время размышлял или чертил линии и фигуры на земле... Его дом был полон юных джентльменов, которые приезжали отовсюду, чтобы поучиться у
него».
Плату за обучение Отред не брал, хотя не был богатым. «Жена постоянно корила его за бедность и всегда забирала подсвечник после ужина, из-за чего многие важные проблемы остались неразрешенными. Один из учеников, который тайком передал ящик свечей, заслужил его горячую благодарность». Для своих учеников Отред написал в 1631 году учебник арифметики и алгебры «Ключ математики» («Clavia mathematicae»),
пользовавшийся большой популярностью в XVII и даже XVIII столетиях.
Воспоминания современников об Отреде рисуют об-. лик человека весьма симпатичного. Был он «невысокого роста, черноглаз и черноволос; дух его был высок, а мозг непрестанно работал». Ньютон говорил об Отреде как об «очень хорошем и рассудительном человеке... на чьи суждения можно без сомнения полагаться».
Отец Уильям был роялистом и не считал нужным скрывать свои взгляды. Поэтому лишь заступничество многочисленных друзей спасло его во время буржуазной революции от крупных неприятностей. Говорили, что он умер от радости, узнав о реставрации Карла II. Известный английский математик и логик XIX столетия А. де Морган заметил, что такая смерть вполне извинительна, если учесть, что Отреду шел в то время 86-й год.
В летние каникулы 1630 года в доме Отреда гостил его ученик и друг, лондонский учитель математики Уильям Форстер. Коллеги беседовали о математике и, как мы сказали бы сегодня, о методике ее преподавания. В одной из беаед Отред критически отозвался о школе Гюнтера, указав, что манипулирование с двумя циркулями требует много времени и дает низкую точность. Видя недоумение Форстера, высоко Ценившего это изобретение, Отред показал своему ученику два изготовленных им вычислительных инструмента.
Первый состоял из двух логарифмических шкал, одна из которых могла смещаться относительно другой, неподвижной. Второй инструмент состоял из кольца, внутри которого вращался на оси круг. На круге (снаружи) и кольце (внутри) были нанесены свернутые в окружность логарифмические шкалы. Оба инструмента позволяли производить вычисления без циркулей. Это были первые логарифмические линейки! Форстер удивленно спросил, как мог учитель скрывать от мира столь замечательные изобретения? Ответ Отреда свидетельствует о замечательных педагогических принципах «маленького викария из Олбьюри»:
«...истинный путь к овладению Искусством проходит не через Инструменты, но через Доказательства. И это нелепая манера невежественных учителей начинать с Инструментов, а не с Науки. Поэтому вместо Мастерства их ученики обучаются только трюкам, подобно фокусни-
кам. И несмотря на обучение, это приводит к потере драгоценного времени и превращению умов жаждущих и трудолюбивых в невежественные и ленивые. Использование Инструментов действительно превосходно, если человек владеет истинным Мастерством, но презренно, если это владение противопоставляется Искусству».
По просьбе Форстера Отред передал ему описания линеек и разрешил перевести их с латыни на английский и издать. Книга Форстера и Отреда «Круги пропорций» вышла в Лондоне в 1632 году. В ней описана круговая логарифмическая линейка, отличающаяся, однако, от той, которую Отред демонстрировал Форстеру летом 1630 года.
Новая линейка содержала восемь шкал, расположенных по концентрическим окружностям, выгравированных на медной пластинке, в центре которой на оси укреплены два плоских радиальных указателя (на рис. 8, заимствованном из оксфордского издания «Кругов пропорций» 1660 года, указатели отсутствуют). Одна из шкал была равномерной шкалой чисел от 1 до 10, а 7 остальных — шкалами логарифмов чисел, синусов и тангенсов.
Прямоугольная логарифмическая линейка Отреда описана в следующей книге Форстера «Дополнение к использованию инструмента, называемого Кругами Пропорций» (1633). Эта линейка состояла из двух логарифмических шкал. При употреблении.они зажимались в левой руке вычислителя, и одна из них правой рукой смещалась относительно другой, неподвижной.
Права на изготовление своих линеек Отред передал известному лондонскому механику Элиасу Аллену. Осенью 1630 года, идя из мастерской Аллена, Отред встретил учителя математики Ричарда Деламейна, некогда бывшего его ассистентом. Отред рассказал Де-ламейну об инструментах, изготовление которых он поручил Аллену. Услыхав о круговой логарифмической линейке , Деламейн воскликнул: «Подобное изобретение сделал и я!»
Деламейн оказался более предприимчивым человеком и успел в том же 1630 году выпустить брошюру «Граммелогия, или Математическое кольцо», в которой описал круговую логарифмическую линейку и правила ее использования. Впоследствии «Граммелогия...» с изменениями и дополнениями переиздавалась еще несколько раз.
Линейка Деламейна состояла из вращающегося внутри кольца круга. В своей книге Деламейн привел несколько вариантов таких линеек, содержащих до 13 шкал. В специальном углублении Деламейн расположил плоский указатель, который мог перемещаться вдоль радиуса, облегчая использование вычислительного инструмента. В другой конструкции кольцо вращалось между неподвижным кругом и наружным кольцом. Ричард Деламейн не только описал линейки, но и предложил методику их градуировки, способы проверки точности и дал много примеров их использования.
Кажется, Отред остался вполне равнодушным, узнав о выходе «Граммелогии...». Во всяком случае, Деламейн, готовя к печати в 1631 году свою следующую книгу, «Горизонтальный квадрант», регулярно посылал Отреду для просмотра типографские оттиски. Но многочисленные ученики Отреда негодовали.
Атаку начал Форстер. В «Посвящении», предшествующем основному тексту «Кругов...», он, не называя имен, говорит о «другом, которому автор (Отред), любовно доверяя, открыл свою цель». Этот «другой» «с поспешностью, превосходящей скорость устремления к добрым делам», попытался «поскорее захватить место».
Затем последовал обмен письмами между Деламей-ном и «отредовцами», содержавшими взаимные упреки ^обвинения. Наконец в 1633 году, в четвертом издании «Граммелогии...», Деламейн решается^ печатно обвинить Отреда в воровстве. Без всяких доказательств он утверждает, что Отред не изобрел круговой линейки, а все сведения о ней почерпнул из его, Деламейна, книги.
Это голословное обвинение, по словам одного из друзей Отреда, .«разбудило дремлющего льва». В том же 1633 году Отред публикует памфлет в защиту своих авторских прав. Подробно описывая историю своего изобретения, Отред замечает, что оно было сделано около 12 лет назад. Памфлет полон обвинений в адрес Деламейна. Отред пишет о своем бывшем ассистенте как о человеке «дурного нрава», с «ядовитым языком, сардоническим смехом и бесстрастным взглядом», обвиняет его в математическом невежестве..
Кто же прав, Уильям Отред или Ричард Деламейн? Конечно, нечего и думать о том, чтобы спустя три с половиной столетия разрешить спор, разгоревшийся между двумя изобретателями. Скорее всего следует согла-
ситься с известным историком математики Ф. Кэджори. который считает, что изобретение логарифмической линейки было сделано независимо друг от друга Уильямом Отредом и Ричардом Деламейном.
Примерно в эти же годы был предложен и еще один тип логарифмической линейки — плоская спиральная;
благодаря увеличению длины шкалы она позволяла повысить точность вычислений. Отред в своем памфлете называет автором спиральной линейки Томаса Брауна, не сообщая о нем никаких сведений. Линейка Брауна (и ее автор) была вскоре забыта. Плоскую спиральную линейку вновь изобрел и изготовил механик короля Георга III Джордж Адаме в 1748 году; Она была выгравирована на медной пластинке диаметром 12 дюймов (305 мм) и имела 10 витков.
Длину логарифмической шкалы можно увеличить, если расположить спираль не в плоскости, а на боковой поверхности цилиндра. Эта идея, принадлежащая «йоркширскому джентльмену мистеру Милбурну» и высказанная им около 1650 года, была заГем развита в вычислителе Фуллера, с которым мы еще здесь встретимся.
94 -
держала'17 изданий в Англии, Голландии, Франции и Германии.
В книге Непер, прибегая к числовой мистике, «научно» доказывает, что папа — антихрист, что Рим является греховным Содомом и Гоморрой, что саранча, о которой говорится в Апокалипсисе, означает турок, и что коней мира наступит между 1688 и 1700 годами и т.д.*
Увлекался Непер и астрологией, следствие^ чего явился «Кровавый альманах, содержащий много верных предсказаний относительно того, что произойдет в текущем 1647 году. Вместе с вычислениями дня Страшного суда составлено и опубликовано знаменитым астрологом лордом Непером Мэрчистонским».
,С особым удовольствием Непер занимался вопросами сельского хозяйства. Он пытался повысить урожайность хлебов, удобряя землю солью, изобрел несколько полезных сельскохозяйственных орудий, таких, как гидравлический насос, облегчающий поливку сада.
Впрочем/ Непер изобретал орудия и нестрашней: во время войны с Испанией он написал — как мы сейчас сказали бы — докладную записку: «Секретные изобретения, полезные и необходимые для защиты острова и сопротивления иноземцам, врагам истинной веры». «Секретные изобретения» включали:
зеркало для поджигания вражеских кораблей на расстоянии;
устройство для плавания под водой -с различными хитрыми приспособлениями для внезапного нападения на врага (подводная лодка?);
металлическую колесницу, легко и быстро движимую находящимися внутри воинами, которые поражали врага через «аленькие отверстия в корпусе колесницы (танк?);
и, наконец, пушку, выстрел которой гарантировал гибель не менее 30 000 турок, а «христианам при этом никакого вреда не наносил» (истинно христианское оружие!).
Достойными гения Непера были лишь его математические работы. Он занимался наукою исключительно ради удовлетворения прирожденной жажды знаний и неохотно отдавал свои труды в распоряжение печатного станка. По этой причине первое математическое сочинение
* Примерно через полстолетия другой гений — Исаак Ньютон — также будет вычислять день «Страшного суда».
, Непера «De arte logistica», посвященное некоторым вопросам тригонометрии, арифметики и алгебры появи
SnL08" ^ишь в 1839 ^У' знаменитый трактат о логарифмах был напечатан только в 1614 году хотя по
нТ^^аТп^""3" непер пришел к ^^%rS%M"a° р8^ Рзчьше; поэтому и в предисловии к последнему
SfoniS^T0"7 сочинению ^Bbdologia sef^ merationis» (1617) он, как бы извиняясь, говорит что
публикует книгу лишь по настоянию друзей
1 ермин «рабдология» Непер объяснял как «счет с ттп
поТь^вяТ04^ (Bnoc^™" этим терминам в^:
пользовался, как мы уже говорили, К. Перро) Эти па
^Гж^я""^""6" -пал04^ Непера., ка^и^самме^д Se в ^п^пр помощъю' ^"Р0 получили распростра-
ны чр^ л^0 а были одн0 время даже более популяр-?я ^ п^^яФ"" - главное изобретение Непера. Книга была вскоре переведена на итальянский датский
^кт"'?"'"и тольк0 в 1667 r0^на ^is.
мепер, вероятно, знал о приеме умножения описан
^У3^"0^^"^0110" ^^ % Йачол"и <Summa de arithmetical под названием gelosia йтот
^oTcn^Se;0 пачоли был знаком ИНАЦам)- ^ Счетную доску (или просто лист чистой бумаги) оас-
дГгон^и У сетки "Р^^^ьников, разделенных диагоналями. По сторонам сетки сверху и справа) за-
^м^аТи^Гп^"^"' а "P^^y^^bie произведения "оме1дали в "Р^оугольники так, чтобы диагональ раз-
^л ^ днннцы и деся№и (единицы помещались в нижний треугольник, а десятки - в верхний). Для получения
произведений осуществляли суммирование .вдоль дна
pasoS и сл3^"" записывали ^зу сетки (младшие разряды) и слева от сетки (старшие разряды) **
Непер предложил разрезать «школьную» таблицу умножения на 10 полосок (включая нулевую) ичисла
Ей^ГлиГь3'0"3^"0 на единицы и десятки пол^ наклеивались на деревянные палочки и использовались
следующим образом (рис. 50). ^""чяись Пусть требуется умножить 2085 на 4. Делали это
^Рарбост (греч.)—палка, прут '
cTs-i^^
^To^a^bTc^oSe/^Ho^T назь1вали geJia (жалюзх 86
ЛМСя1 Ш кйаба
© 0 |
ж |
Рис. 2 ГяpбЧf>т mi Орильяка (ок.МО-ЮОЗ»
Рис.18 Вильгельм Шиккард (1592-1636)
Рис.19 Сэмюэл Морлэнд (1625-1695)
Рис.20 Модель машины Шиккарда
Рис.21 Машина Морлэнда
Рис.22 Модель счетного устройства Леонардо да Винчи
Рис.23 Рабдологический абак
Рис. 24 Кпод Перро (1613-1688) |
Рис.26 Верхняя крышка машины Слонимского |
Рис.25 Счетный механизм машины Слонимского
Рис. 27 Хакоб Родригес Перейра 11715-1780»
27 24
Рис.28 Машина Якобсона Рис.29 Машина Хилла
Рис. 33 Готфрид Вмлы-епыи Лейбниц (1646-1716)
Рис. 34 Принцип действия машины Лейбниц»
Рис. 35 Машина Лейбница
Рис. 36 Ступенчатый
—лмк машины
Лейбница
Рис.37 Машима Лейбница
Рис.49 Счетный механизм
Арифмометра Лейпольда, пластина переменной высоты и спиральная плоскость
Рис-50 Умножение на палочках Непера
Pt.c.51 Джон Непер (1550-1617) Рис. 52 Математический орган Рис. 53 Палочки Жемейя — Люка Рис. 54 Счетный прибор Лейпольда
Рис.55 Множительная машина Морлэнда
Рис. 56 Принцип действия машины Болле
Рис.57 Разностная машина Бэббмджа
Рис.58 Чарлз Бэббмдж (1792-1871» Рис. 59 Ада Августа Лавлемс (1815-1852) |
Рис. 60 Разностная машина Шюгч.ев |
Рис.61 Аналитическая
Машина Бэббиджа
Рис.62 Схема
Последовательного переноса
Рис.63 Схема сквозного переноса
-* ^ |——^ 5, i——^ S,
Г Г Г
('Л II (-2 II 1-1
Добавляемое число Ci-C^-счелтые колеса Sr-Ss-переключатели
J——^——J
•-• | -^ ( | -» | -Ss , | ^s, | ||||||||
с | » | с | s | С | с, | |||||||
i | 1 | i | i |
Добавляемое число
Рис.64 Табулятор Холлерита |
Рис. 65 Часть сортировал ьнои машины Холперита Рис 66 Германн Холлерит (1860-1929) |
так: брали палочки для цифр 2, 0, 8 и 5 и еще одну— единичную. Палочки прикладывали друг к другу так, как показано на рис. 50, и против цифры 4 единичной палочки искали произведение 4 на цифры 2, 0, 8 и 5, из которых составлено множимое.
Суммируя числа как в gelosia, получаем:
2085 X 4 == 8; (0 + 3); (2 + 2); 0; = 8340.
Если множитель многозначный, то отдельные произведения выписывали, как обычно, со смещением на один разряд, а затем складывали. Для множимого, содержавшего несколько одинаковых цифр, приходилось иметь несколько одинаковых палочек. Поэтому Непер предложил выполнять палочки в виде прямоугольных параллелепипедов и наклеивать на них не одну, а 4 полоски (по одной на каждую грань) таким образом, чтобы первая палочка содержала полоски для 0, 1, 9, 8; вторая—для О, 2, 9 и 7; третья — для 0, 3, 9 и 6 и т. д. вплоть до 10-й, содержавшей полоски для 3, 4, 6 и 5.
Таким образом, каждая палочка имела на противолежащих гранях полоски для некоторой цифры и ее дополнения до 9.
С «помощью палочек Непера можно было выполнять не только операцию умножения, но и деления и извлечения квадратного корня.
Итак, от школьной таблицы умножения и метода gelosia до палочек Непера — один шаг! Но никто из математиков средневековья не обратил внимания на эту, казалось бы, совершенно очевидную возможность упрощения операции умножения, и этот единственный .шаг был сделан Непером.
Пожалуй, ни одна идея в истории вычислительной техники не дала столько пищи изобретательным умам, как идея палочек Непера. На протяжении трех веков было сделано множество улучшений и модификаций палочек.
Наиболее остроумная модификация была предложена в 1885 году двумя французскими изобретателями—железнодорожным инженером Женейем и сотрудником парижского Музея искусств и ремесел известным математиком Эдуардом Люка. Набор .Женейя и Люка содержал 11 брусков. Один из них, соответствующий множителю, имел боковую грань, разделенную на два вертикальных столбца. Левый столбец разбит на 8 клеток с цифрами 2, 3, ..., 9, означающими множитель. Правый столбец
6 2405 . 97
разбивался на различное число клеток в зависимости от множителя: против множителя 2 были две клетки с цифрами 0, 1, против множителя 3—три клетки с цифрами О, 1,2 и т. д. (рис.53).
У остальных 10 брусков использовались все четыре боковые грани. Каждая из них также разбивалась на два вертикальных столбца. В самом верху грани справа была написана цифра множимого. Далее правая колонка разбивалась на клетки так же, как и на бруске, описанном выше.
Произведение однозначных чисел записывается так:
верхняя клетка правой колонки содержит цифру единиц произведения; в следующих клетках пишутся соседние цифры в порядке возрастания. Цифра десятков изображается в левой колонке с помощью черного треугольника, вершина которого находится на высоте нужной клетки. Благодаря этому, читая цифры результата против вершин, мы избавляемся от необходимости сложения для. получения нужных значений разрядов.
Год.
Бэббидж встречается с известным английским физиком Уильямом Волластоном и излагает ему свои план построения разностной машины. Волластон одобряет проект молодого ученого и рекомендует ему начать разработку.
Год — июнь 1822 год.
Ч. Бэббидж самостоятельно конструирует и изготовляет действующую модель разностной машины, которая может табулировать с точностью до восьмого знака функции с постоянными вторыми разностями. Она содержит 96 зубчатых колес, расположенных на 24 осях.
Год, 14 июня.
Ч. Бэббидж читает членам Астрономического общества доклад о возможности вычисления таблиц с помощью машин. Доклад встречается с энтузиазмом.
Год, июль — 1827 год, октябрь.
Работа над разностной машиной. Бэббидж привлек к работе выдающегося английского механика и станкостроителя Джозефа Клемента.
Год.
Бэббидж публикует в «Философикэл транзекшнс» статью «О методе выражения, знаками движения машин», в которой предлагает своеобразный язык для пояснения работы сложных механизмов во времени. Сам Бэббидж считал предложенную им систему «механических обозначений» наиболее выдающимся своим теоре-
тнческим достижением. «Без этих обозначений невозможно было бы удержать в памяти положения отдельных элементов вычислительных машин в процессе выполнения ими счетных операций»,— писал он.
Год, февраль.
Из письма У. Уайтмора Бэббиджу:
«Беседа с министром дала неудовлетворительные результаты. Лорд Годерич (новый министр финансов.— Авт.) утверждает, что во время" Вашей встречи в июле 1823 г. не было достигнуто соглашения о том, что правительство гарантирует финансовую помощь сверх обещанных 1500 фунтов стерлингов».
Год, декабрь.
Бэббидж возвращается в Лондон и лично встречается с министром финансов, а затем обращается с письмом
к главе кабинета министров Англии — прославленному военачальнику герцогу Веллингтону. Премьер-министр просит Королевское общество оценить проделанную Бэб-биджем работу, чтобы установить, подтверждает ли ход изготовления машины предположения, высказанные в письме общества от 1 мая 1823 года.
Год, 28 апреля.
По рекомендации герцога Веллингтона казначейство выделяет еще 1500 фунтов на изготовление машины. Однако к этому времени расходы составляют уже 6697 фунтов стерлингов, и поэтому гарантированная правительством сумма не может удовлетворить Бэббиджа. Он решает обратиться за советом к тем высокопоставленным или авторитетным знакомым, которые хорошо осведомлены о ходе работ над машиной.
Год, ноябрь.
Мастерскую посещают герцог Веллингтон, лорд Эшли и министр финансов Гоулберн. Премьер-министр дает высокую оценку работе Бэббиджа.
Год, 23 ноября.
Бэббидж получает письмо министра финансов, в котором сообщается, что по распоряжению главы правительства казначейство выделяет Бэббиджу еще 3000 фунтов стерлингов.
Год,13 апреля.
Специальный комитет Королевского общества вновь подтверждает: чертежи выполнены превосходно, детали изготовляются с максимально возможной точностью, счета находятся в исправном состоянии. Комитет поддерживает предложение Бэббиджа о постройке пожарозаши-щенного здания и рекомендует участок, примыкающий к лондонскому дому Бэббиджа.
Год — 1833 год.
Работа над разностной машиной.
Год, январь.
Знаменательное событие в жизни Бэббиджа! Собрана и успешно испытана часть разностной машины. Она может табулировать с точностью до 5-го знака многочлены с постоянными вторыми разностями.
Год, 26 сентября.
Бэббидж решает сообщить об изобретении аналитической машины главе правительства лорду Мельбурну и просит его об аудиенции. Премьер-министр дает свое согласие, но встреча так и не состоялась, так как правительство пало.
Год, 8 октября.
Бэббидж повторяет тот же вопрос в письме, адресованном премьер-министру Роберту Пилю.
Год, 6 ноября.
Бэббидж отвечает своим высокопоставленным адресатам — он отказывается от машины.
Годы.
Бэббидж временно прекращает работу над аналитической машиной, так как решает сделать полный комплект чертежей разностной • машины (№ ~2), в которой были бы использованы его последние изобретения (новая схема сложения и т. д.).
Годы.
Бэббидж продолжает работу над аналитической машиной.
Год.
Президент Королевского общества лорд Росс предлагает Бэббиджу передать чертежи правительству и обратиться с письмом к премьер-министру лорду Дерби. Росс берется лично передать это письмо и от имени Королевского общества поддержать проект создания разностной машины № 2.
Год, июнь.
Лорд Дерби передает письмо Бэббиджа министру финансов Дизраэли для окончательного решения.
И вот безапелляционное решение:
«Проект мистера Бэббиджа представляется настолько дорогостоящим, окончательный успех так проблематичен, а затраты так трудно подсчитать, что вряд ли можно было бы оправдать правительство, если бы оно приняло на себя какие-либо обязательства по этому проекту».
Год.
Отец и сын Шютцы закончили работу над шведским вариантом разностной машины, которая табулирована с точностью до 15 десятичных знаков функции с постоянными четвертыми разностями.
Машину привозят в Лондон и устанавливают в выставочном зале Королевского общества.
Сын трактирщика Пер Георг Шютц (1785—1873) занимался адвокатской деятельностью в провинции и с 1812 года в Стокгольме. В 1817 году он покупает типографию и вскоре становится совладельцем и соредакто-ром влиятельной газеты «Аргус». Кроме того, Шютц издает несколько журналов и выпускает ряд переводов классиков — Шекспира, Скотта, Боккаччо...
В течение нескольких лет после знакомства с упоминавшейся статьей Ларднера он самостоятельно мастерит модели различных узлов машины. В 1837 году к нему присоединяется сын Эдвард (1821—1881), бросивший ради этого учебу в Королевском технологическом институте.
В 1840 году отец и сын построили модель, которая вычисляла до пяти знаков функции с постоянными пер-вьтми разностями, а к 1842 году—вторую модель, которая табулировала с той же точностью функции с постоянными третьими разностями. В 1843 году вторая модель, дополненная печатающим механизмом, демонстрировалась Шведской королевской академии наук.
Работа над разностной машиной поглотила все сбережения Шютцев. Продав типографию, Георг становится в 1842 году сотрудником газеты «Афтонбладет». В течение 8 лет Шютцы добивались финансовой поддержки для строительства большой разностной машины. Наконец в 1851 году парламент решает выдать 5 тысяч риксталеров (около 280 фунтов стерлингов) на довольно жестких условиях: деньги должны быть возвращены, если машина не будет закончена в течение года и не будет при этом «полностью соответствовать предполагаемым целям».
Среди членов академии нашлись люди, согласившиеся в случае неудачи изобретателей компенсировать затраты правительства, и Шютцы принялись за работу с такой энергией, что парламент выделил им еще 5 тысяч. К октябрю 1853 года машина была закончена.
Год.
Машина Шютцев демонстрируется на Всемирной выставке в Париже. Чарлз Бэббидж всячески приветствует эту демонстрацию, а его сын Генри делает плакаты, на которых с помощью «механических обозначений» поясняет работу машины. Машине присуждается золотая медаль.
Z*131
На годичном "собрании Королевского общества Бэб-бидж добивается награждения Шютцев почетной медалью общества.
Год.
Георг Шютц избран в Шведскую академию наук,-награжден орденом и рентой в 1200 риксталеров. Разностная машина приобретена для Дудлевской лаборатории и используется для вычисления астрономических таблиц.
В 1924 году она была куплена уже известным нам изобретателем Д. Э; Фелтом для музея его фирмы.
1858—1859годы.
Замечательный английский инженер Донкин по заказу правительства (!) строит английскую копию шведской разностной машины. Машина Донкина широко использовалась для вычисления таблиц смертности, по которым страховые компании делали свои начисления.
Год.
Часть разностной машины Бэббиджа, находившаяся в музее Королевского колледжа, демонстрируется на большой международной выставке в Лондоне.
Бэббидж безуспешно пытался выставить свою машину на выставках в Дублине (1847), Лондоне (1851), Нью-Йорке (1853), Париже (1855). Правительство, чьей собственностью была машина, всякий раз отвечало отказом.
Наконец в 1862 году удалось добиться согласия. Но и здесь Бэббиджу не повезло. Машину разместили в маленькой и к тому же проходной комнате. Только три человека могли одновременно осматривать машину. Бэббидж вместе со своим младшим сыном подготовил плакаты, иллюстрирующие принципы действия его изобретения, но развесить их было негде: на стенах комнаты устроители выставки разместили стенды с коврами и клеенками. Бэббидж писал, что «организаторы выставки были более квалифицированы для того, чтобы судить о фурнитуре для ног, чем о фурнитуре для головы».
- После окончания работы выставки разностная'машина и сделанные Бэббиджем иллюстративные плакаты были переданы в научный музей в Южном Кенсингтоне, так как музей Королевского колледжа отказался принять машину.
Год.
Швед Виберг привозит в Париж свой вариант разностной машины. В ней используются идеи Бэббиджа и
Шютца, но благодаря удачным конструктивным решениям она имеет меньшие размеры.
Годы.
Бэббидж продолжает работу над аналитической машиной. До последних дней жизни сохранил он ясность и остроту ума.
Год,18 октября.
В 11 часов 35 минут Чарлз Бэббидж умер, не дожив двух месяцев до своего 80-летия. Перефразируя слова Кондорсе об Эйлере, можно сказать, что Бэббидж «перестал жить и строить вычислительные машины».
Год, ноябрь.
Служа науке, он терпел лишенья,
Был рок его тревожен и суров,
Он злой судьбою избран был мишенью
Скорей ударов, нежели даров,
С тех пор, когда влекомый блеском таийСТв,
Присущих математике, решил
Ступить на многотрудный путь, пытаясь
Достичь аналитических вершин *.
Из английского журнала «Панч»
Год.
Из отчета специального комитета Британской ассоциации содействия развития науки, изучавшего материалы по аналитической машине:
«Мы полагаем, что существование подобных устройств, помимо экономии труда при выполнении обычных (т. е. арифметических) операций, сделает осуществимым то многое, что, будучи практически осуществимым, находится слишком близко к пределам человеческих возможностей».
Годы.
Идеи Бэббиджа пересекают океан. В 1871 году 22-летний студент Гарвардского колледжа Джордж Бар-нард Ррант предлагает свой вариант разностной машины. Первый экземпляр машины Гранта, изготовленный к 1876 году, был передан Пенсильванскому университету. Построенный несколько позже второй экземпляр свыше 20 лет эксплуатировался одной из американских страховых компаний.
Годы.
Генерал-майор Генри Провоет Бэббидж (1824—1918), выйдя в отставку после возвращения из Индии, намере-
* Перевод И. М. Липкина.
вается завершить работы отца. Он за свой счет изготовляет недостающие части разностной машины. Финансовые трудности заставляют его отказаться от завершения постройки машины.
1880—1888годы.
Генри Бэббидж решает-заняться аналитической машиной, ограничившись разработкой ее основных блоков — «мельницы» (арифметическое устройство) и печатающего механизма.
Год, 21 января.
Аналитическая машина вычислила и напечатала произведение на числа натурального ряда с '29 знаками. При вычислении 32-го члена сбой в механизме переноса привел к неверному результату.
1888год, 12октября.
Генри Бэббидж выступает на собрании членов Британской ассоциации содействия развитию науки с докладом об аналитической машине.
Год.
Генри Бэббидж переконструирует некоторые узлы аналитической машины и изготовляет их с помощью фирмы «Р. В. Мунро».
Год.
Немецкий инженер К. Гаманн строит немецкую разностную машину, которая табулирует функции с постоянными вторыми разностями с точностью до восьми знаков. С помощью этой машины были получены логариф-мическо-тригонометрические таблицы, изданные в 1910 году Баушингером и Петерсом.
Год.
Первое применение счетных («коммерческих») машин для научных расчетов. Сотрудник департамента морского календаря Т. Хадсон использует машину фирмы «Бэрроуз» для табулирования функций с постоянной первой разностью.
Год.
Эта хроника не может быть закончена, так как все-дальнейшее развитие вычислительной техники и автоматизации вычислений можно рассматривать- как продолжение работ Бэббиджа. Поэтому мы прервем ее.
С идеями и именем Бэббиджа мы еще встретимся при упоминании работ Комри и Айкена.
145.
шения или истины. Сфера ее деятельности — помочь нам^ сделать то, с чем мы уже знакомы».
Эти соображения отнюдь не оставались незамечен'', ными. В знаменитой статье Алана Тьюринга «Может ли;
машина мыслить?», впервые опубликованной в 1950 году, специальный раздел, озаглавленный «Возражения леди Лавлейс», посвящен разбору приведенных нами высказываний.
Интересно также отметить, что терминология, которую ввела леди Лавлейс, в заметной степени используется и современными программистами. Так, ей принад' лежат термины «рабочие ячейки», «цикл» и некоторые. другие.
Стефан Цвейг писал когда-то о «звездных часах человечества». Песня, написанная за одну ночь скромным армейским капитаном Руже де Лиллем, сделала его имя бессмертным. Несколько десятков страничек, исписанных накануне дуэли Эваристом Галуа, открыли миру великого математика. «Комментарии переводчика» Августы Ады Лавлейс навсегда оставили ее имя в истории кибернетики и вычислительной техники.
«ВКЛАД ФИЛОСОФА В ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ»*
«Я считаю, что величайшее проявление человеческих способностей состоит в попытках открыть те законы мышления, руководствуясь которыми человек проходит путь от уже известных фактов к открытию новых явлений»,— писал Бэббидж.
Если попытаться обобщить разбросанные в его статьях и книгах многочисленные замечания о характере и особенностях научной работы, то получим следующую «философию открытия».
1. Любому открытию должно предшествовать накопление знаний в данной области.
2. Открытию нового явления должна предшествовать тщательная систематизация и классификация известных факторов.
3. Один из основных принципов «совершения» открытий во многих областях знаний заключается в обобще-
* Так Бэббидж назвал главу своих автобиографических «Страниц...». -
нии отдельных случаев до целого вида, а затем — возвращении к частным случаям.
4. Если в процессе работы над некоторым изобретением исследователь сталкивается с каким-либо дефектом, недостатком, он должен помнить, что этот недостаток может послужить основой другого изобретения *.
По характеру творческого мышления и деятельности Бэббидж — типичный «генератор идей». Он, как правило, • не доводил до полного завершения свои многочисленные предложения и проекты. Очень часто, убедившись в том, что им найдено принципиально правильное решение, Бэббидж терял всякий интерес к своему изобретению и начинал заниматься исследованиями, совершенно не связанными с тем, что было сделано ранее.
Бэббидж был великим тружеником науки.
Никогда не упускал он возможности измерить, пощупать, осмотреть то, что представлялось ему объектом исследований. В своих многочисленных путешествиях он измеряет пульс и частоту дыхания животных и публикует статью «Таблицы постоянных одного класса млекопитающих»; желая испытать влияние высокой температуры на человеческий организм, он проводит 10 минут в специальной печи при температуре 265 градусов по Фаренгейту, предвосхищая тем самым эксперименты профессора Дж. Холдейна **; он опускается под воду в водолазном колоколе" и под впечатлением этого события' конструирует , двухместную подводную лодку; он поднимается на действующий Везувий, чтобы наблюдать за извержением вулкана и собрать коллекцию камней;
намереваясь исследовать природу рудничного газа и провести эксперименты с лампой Дэви, с опасностью для жизни опускается в шахты; он участвует в археологических раскопках, наблюдает расчистку канала для Темзы и обследует горячие источники вблизи Неаполя...
Конечно, главным делом Бэббиджа всегда были вычислительные машины, и многие выдающиеся его изобретения являются «побочным продуктом» работы над ними.
* Бэббидж писал, что, руководствуясь этим правилом, он придумал, в частности, систему световой сигнализации.
** В 1926 году этот выдающийся английский ученый опубликовав статью «Я сам себе кролик» о целесообразности опытов на себе и провел ряд экспериментов для исследования влияния резких перепадов давления на человеческий организм.
Но кроме того...
Чарлз Бэббидж является автором 18 математических! статей. Его основные математические работы посвящены ' созданию аппарата, аналогичного дифференциальному^ и интегральному исчислениям, в котором роль переменной будет играть функция *. Ряд других работ Бэббиджа посвящен вычислению сумм степенных рядов и уравнениям в конечных разностях, вопросам, относящимся к геометрии, теории чисел, теории вероятностей. Интересен цикл статей о математических обозначениях и их роли в доказательстве теорем.
Но кроме того...
Чарлз Бэббидж — один из пионеров научного изучения проблем железнодорожного транспорта. Будучи другом сэра Айсамборда Брунеля, главного инженера Западной железной дороги, он в течение 5 месяцев 1838 года проводил эксперименты по изучению безопасности железнодорожного движения и мер предупреждения несчастных случаев. В результате этой работы Бэббидж изобрел спидометр (правда, не дал ему наименования) и динамометр для измерения силы тяги паровоза, способы отделения паровоза от состава после крушения, решетку-скотоотбрасыватель и т; д.
Но кроме того...
Чарлз Бэббидж предложил метод определения циклов влажной и сухой погоды по годовым кольцам на деревьях (этот метод в XX веке вновь был открыт американцем Эндрю Эликоттом Дугласом); изобрел—после солнечного затмения 1851 года—коронограф и сконструировал офтальмоскоп; описал устройство для на- -ведения артиллерийских орудий и прибор для регистрации интенсивности и направления подземных толчков;
придумал широко известный в настоящее время способ световой сигнализации путем ритмичного прерывания светового потока (Бэббидж разослал свое предложение правительствам 12 стран, но первыми применили этот способ в русской армии во время Крымской войны);
предложил -и экспериментально проверил способ измерения высоты гор с помощью барометра; выдвинул весьма оригинальную теорию образования глетчеров; пытаясь одним из первых в геологии-дать физическую трак-
* Такой аппарат был действительно создан в "конце XIX — начале XX века под названием «функциональный анализ».
ж? товку геологических явлений, создал теорию «изотерми-Ц*,ческих поверхностей Земли»; написал статью «Предпо-^ " ложения по поводу физического состояния поверхности Ц~ Луны»—через столетие один из лунных кратеров-будет
назван именем Бэббиджа.
Он проводил глубокие экспериментальные исследования электромагнитных явлений. Их хорошо знал и ценил великий Майкл Фарадей, присылавший Бэббиджу свои статьи на ту же тему с припиской — «мне особенно важно знать Ваше мнение по этому вопросу». Бэббидж увлекался оптическими экспериментами и редактировал «Scriptores optici...» — сборник наиболее выдающихся работ по оптике, вышедший в 1828 году в Лондоне. Он автор памфлета «Мысли по поводу налогообложения», вызвавшего горячее одобрение Чарлза Диккенса, и ... статьи «Об искусстве открывания любых замков» (пр-ав-да, неопубликованной); он издал религиозно-метафизический «Девятый Бриджуотеровский трактат», в котором пытался доказать, что наука не враждебна религии, черпая аргументы из своего личного опыта создания вычислительных машин (один из современных авторов остроумно заметил по этому поводу, что «если Джине рассматривал Создателя как математика, то Бэббидж несомненно считал Бога программистом...»).
Этот список можно было бы продолжить, но мы ограничимся сказанным, остановивщись несколько подробней * на тбм, что непосредственно связано с «главным делом» Бэббиджа или является косвенным следствие^! его работ над проблемами вычислительной техники.
«Наука вычислений». Вера Бэббиджа во всемогущество численных методов решения инженерных" и научных задач была безгранична. В одной из его книг мы находим восторженные слова в адрес «науки вычислений, которая единовластно должна управлять всеми практическими применениями науки...».
Бэббидж постоянно обращал внимание научных обществ и правительственных учреждений на огромную практическую важность различных математических таблиц—как мы уже знаем, стремление увеличить их точность послужило импульсом, для создания вычислительных машин. Выступая на одной из первых конференций Британской ассоциации содействия развитию науки, он настаивал на необходимости вычисления таблиц .всех тех данных в различных областях науки и техники, которые
могли быть выражены числами. Бэббидж называл этч таблицы «Постоянными Природы и Техники».
Сам он составил несколько весьма ценных для своего! времени таблиц, и прежде всего таблицу логарифмов от| 1 до 108000 (1826). Кропотливая работа позволила Бэб-! биджу обнаружить и исправить множество ошибок в ра-| нее составленных таблицах и сделала его таблицы одни-1 ми из наиболее точных для своего времени. Они выдер-;
жали несколько изданий как в Англии, так и за ее пределами. В 1831 году Бэббидж за собственный счет'| издает копию этих таблиц. Издание состояло из 21 тома,' отпечатанного различным шрифтом на бумаге разной толщины и цвета, чтобы установить наилучшие для вычислителя сочетания указанных факторов.
Эта работа может служить образцом эргономического исследования середины XX века!
Другие важные таблицы, составленные Бэббиджем — таблицы смертности,— явились следствием его увлечения проблемами страхования жизни. Он опубликовал в 1826 году небольшую книжку «Сравнительный обзор различных институтов страхования жизни», которая стала первым четким и достаточно популярным изложением теории страхового дела. Книга была переведена на немецкий язык, а составленные Бэббиджем таблицы использовались долгое время страховыми компаниями Англии и Германии.
Бэббидж прекрасно понимал огромные возможности вычислительных машин. Он, например, пророчески писал в 1838 году:
«Вся химия и кристаллография станут ветвью математического анализа, который, подобно астрономии *, получающей свои постоянные из наблюдений, даст нам возможность предсказать характер любого создания и указать источники, из которых его образование может ожидаться». Через какие-нибудь 130 лет американская вычислительная машина SWAC была использована для определения структуры кристалла витамина Biz. Бэббидж указывал также на возможность численного решения трансцендентных и нелинейных дифференциальных уравнений на вычислительной машине и за 130 лет до первого шахматного матча между вычислительными ма-
* Имеется, очевидно, в виду открытие планет, координаты которых были сначала определены теоретически, путем вычислений, а затем уже обнаружены в телескоп.
шинами Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) и Стенфордского университета (этот матч, кстати, со счетом 3 : 1 выиграла машина, а точнее— программа ИТЭФа) выражал твердую уверенность в «шахматных способностях» вычислительных машин.
Бэббидж был, вероятно, одним из первых, кто понял огромное практическое значение статистики. Тематика его статистических работ весьма разнообразна. Здесь и «О пропорциональном соотношении между полами новорожденных среди законных и незаконных детей», и «О статистике маяков», и «О пропорциональном соотношении букв в различных языках» — примерно через 100 лет этой проблемой (в связи с вопросами кодирования) будут заниматься лингвисты и связисты во всем мире, и «Анализ статистик Расчетной палаты за 1839 год».
Пропагандируя статистические методы, Бэббидж стал инициатором организации Лондонского статистического общества; первое учредительное собрание этого общества состоялось в его доме.
Как и многие математики, Бэббидж увлекался шифрами. Он написал несколько статей об искусстве дешифровки и даже составлял специальный словарь для этой цели, в котором в алфавитном порядке располагались двухбуквенные, затем трехбуквенные и т. д. слова.
Научные методы исследования производства. В 1832 году Бэббидж написал удивительную книгу — «Экономика машин и производства». Удивительную потому, что в ней высказаны идеи, которые через много лет составили основу таких научных дисциплин, как системный анализ, исследование операций, научная организация труда и производства, научное управление им, контроль качества и т. д.
«Экономика...» является, пожалуй, единственной вполне завершенной работой Бэббиджа. Написанная на основе знакомства автора с машиностроительным производством в Англии и на континенте, она вскоре была переиздана в Америке и переведена на французский, немецкий, итальянский и испанский языки.
Значение этой книги определяется прежде всего тем, что в ней Бэббидж впервые показал возможность научного анализа в сфере производства и возможность изучения общих принципов управления предприятиями, абстрагируясь от конкретного содержания технологических
процессов. Он рассматривал производство как сложную систему, а не как совокупность и последовательность технологических процедур.
Книга написана простым и четким языком, без математических выкладок и туманных «философских» рассуждений, и даже сейчас, спустя 150 лет, представляет интересное чтение — формулировки автора просты и недвусмысленна. Каждая высказанная мысль подтверждается примером из области машиностроения, точнее машинерии. Под этим старинным, но более емким словом в книге Бэббиджа понимаются и машины, и инструменты, и приспособления, и средства передачи информации, и транспортные средства, и приборы — измерительные и регистрирующие.
Таких примеров в «Экономике...» неисчислимое множество: строительство мостов, подрывные работы, утилизация отходов, производство сапожных гвоздей, выплавка чугуна, сборка часов, изготовление шнурков для ботинок, фармакопея, добыча угля, книгопечатание, выпуск газет, дубление кожи, выпаривание соли, измерение уровня жидкости, счет ярдов ткани, станкостроение, Литография, железнодорожный и водный транспорт и многое, многое другое.-
Для графического изображения связей между различными структурными единицами предприятия Бэб-бидж предлагал использовать систему своих «механических обозначений». Он считал, что -такое графическое представление позволит улучшить организацию производства, обнаружив его слабые точки. Тем самым Бэб-бидж предвосхитил диаграммы Ганта и сетевые графики!
Он писал: «Если известны все факторы, относящиеся к морскому или сухопутному сражению, то с помощью механических обозначений его можно описать так же, как любую сложную машину». Через сто с лишним лет, во время второй мировой войны, в Англии был осуществлен проект «Омега», смысл которого заключался в применении операционистских методов при планировании воздушных битв.
Бэббидж не ограничился теоретическим рассмотрением. На примере булавочного производства, действуя почти так же, как и современные операционисты, он подверг анализу характер выполняемых в этом производстве операций, оценил требуемую квалификацию рабочих, издержки каждого процесса и показал направление
увеличения эффективности производства булавок (аналогичный анализ книгопечатного дела так обидел книгоиздателей, что они отказались принять книгу к переизданию) .
Несколько позже Бэббидж таким же образом проанализировал работу британского почтамта. В те времена стоимость отправления письма (почтовый тариф) определялась местом жительства адресата. Бэббидж показал, что сортировка писем, штемпелевка и доставка обходятся дороже, чем пересылка писем по единому почтовому тарифу (независимо от расстояния, на которое они пересылаются). И под впечатлением работы Бэббиджа через несколько лет в Англии был введен единый почтовый тариф.
Бэббидж неоднократно подчеркивал, что основу опе-рационистского исследования должны составлять точные факты. Его высказывания по этому поводу могут послужить девизом современных исследователей операций: «Экономистов следует упрекнуть в слишком скудном использовании фактов и излишнем увлечении теорией... Ошибки из-за отсутствия фактов гораздо более многочисленны и долговечны, чем ошибки от неправильного объяснения данных».
Книгу Бэббиджа высоко ценили его современники, ее хорошо знал Карл Маркс. Ссылки на книгу и цитаты из «Экономики...» мы встречаем в таких его произведениях, как «Капитал» (-1, 3 и 4 тома), «Нищета философии», «К критике политической экономии».
Да и не только современники — о ней, например, с восхищением отзывался такой крупный английский экономист, как Дж. Кейнс. Сам же Бэббидж считал, что высшей похвалой для него были слова рабочего маленькой фабрики в Лидсе: «Сэр, эта книга заставила меня думать!» Описывая этот эпизод, Бэббидж добавляет:
«Заставить человека думать — это значит сделать для него значительно больше, чем снабдить его определенным количеством инструкций...»
Машиностроение. «Неплохо определить человека как животное, делающее инструменты»,— писал в одной из своих книг Бэббидж. Интерес Бэббиджа. к «деланию инструментов» возник, естественно, в связи с вычислительными машинами: «Когда мне пришла в голову идея создания механических средств для вычисления -всех классов астрономических и арифметических таблиц, я
i53
попытался самостоятельно сделать простые чертежи и-, изготовить по ним небольшую модель. Но когда прави- тельство пожелало иметь значительно большую модель , для тех же целей, возник очень серьезный вопрос: возможно ли будет при современном состоянии машиностроения так изготовить'детали и узлы разностной машины, чтобы обеспечить их многочисленные и очень сложные движения».
Чтобы ответить на этот вопрос, Бэббидж изучил возможности существующих машиностроительных предприятий и прищел к выводу о необходимости усовершенствования техники конструирования и изготовления механических деталей и узлов. Он обратил свой замечательный аналитический и изобретательский дар на задачи промышленности. «Я смело могу утверждать, что исследования, которые дали мне возможность изобрести новые механизмы, равным образом будут полезны для создания новых инструментов или способов лучшего использования старых».
Бэббидж сделал ряд выдающихся изобретений в области машиностроения. Он создал поперечно-строгаль-ный и токарно-револьверный станки, различные калибры, пресс-формы, резцы (в том числе алмазные), предложил методы заточки инструмента, изготовления зубчатых колес литьем под давлением, высказал идею взаимозаменяемости деталей, столь важную для массового производства, предложил способ гравировки по дереву и т. д.
Интересно, что у Бэббвджа начинал свою деятельность один из наиболее выдающихся английских инженеров XIX столетия сэр Джозеф Уитворт, стандарт которого на резьбовые соединения существовал в Англии вплоть до 1948 года.
Бэббидж прекрасно работал на нескольких станках, но предметом его особой гордости было умение пробивать отверстия в стекле. Им собственноручно выполнено около 400 квадратных метров машиностроительных чертежей, о которых современники отзывались как о шедевре чертежного искусства.
При работе над разностной машиной Бэббиджа долгое время занимал вопрос: как графически изобразить работу сложных механизмов?. Для простых машин достаточно сделать чертежи, на которых было бы отображено положение их различных узлов в разные моменты времени. Но для вычислительной машины таких черте-
жей пришлось бы сделать слишком много, и практически этот вариант был неприемлем. Поэтому Бэббидж предложил особую систему обозначений — условный язык для выражения динамики сложных машин. С помощью такого языка работа любого устройства изображалась своеобразной картой, состоящей из двух частей.
Первая часть давала представление о связях между различными частями машины и о характере движения этлх частей (поступательное, вращательное и т. д.). Здесь же условно обозначалось число зубьев или штифтов отдельных деталей и указывалась скорость их движения (номинальная, максимальная Или минимальная). Для обозначения характера взаимодействия между элементами машины Бэббидж применил систему стрелок. Например, если одна часть устройства получала движение от другой с помощью штифта, это изображалось стрелкой с полоской на конце, движению за счет трения соответствовала штрих-пунктирная стрелка, если использовался храповик, то стрелка продолжалась отточием. Каждый элемент машины изображался вертикальной линией, а стрелки связывали эти линии, начинаясь у ведущего элемента и кончаясь у ведомого.
Вторая часть карты представляла собой временную диаграмму (пользуясь современным языком), которая позволяла определить положение любого элемента машины в любой момент времени. Современные конструкторы вычислительных машин не мыслят своей работы без этих диаграмм, не подозревая, быть может, что их родословная началась около 150 лет назад.
Пользуясь «механическими обозначениями» — так "Бэббидж назвал свой условный язык,— изобретатель или инженер легко прослеживал работу сложной машины во времени. Они могли минимизировать как число элементов машины, так и число их движений. Бэббидж, например, работая над разностной машиной, сократил число оборотов главной оси, необходимых для выполнения операций сложения, с 12 до 5!
Компетентные инженеры считали — об этом писал президент Королевского общества лорд Росс,— что только своими изобретениями в области машиностроения Бэббидж вполне возместил те средства, которые правительство вложило в строительство его разностной машины!
8 2405 161
птение первой машины, а следовало построить новую». Затем мы подошли к аналитической машине, и он рассказал мне э принципах ее устройства и характере дей* ствия. «Закончили ли вы эту машину?» — спросил я. «Нет,— ответил он.— Я пришел к новой идее, которая полностью затмила все предыдущие замыслы; поэтому было бы пустой тратой времени работать далее над старым вариантом». Затем он объяснил мне эту идею, которая была революционна даже для того мира передовых идей, в котором он жил».
Далее Моултон говорит о том, что он в душе всегда считал таких изобретателей, как Бэббидж, «попросту надоедливыми людьми»: «Сами они ничего не могут довести до конца и умаляют заслугу тех, кто большей настойчивостью и более терпеливым трудом достигает успеха там, где они потерпели неудачу. Их изобретениям уготовлена недолгая посмертная слава...»
Научный экстремизм «вспыльчивого гения» по крайней мере на столетие задержал осуществление его замечательных идей. Он, как мы помним, собирался построить машину, которая табулировала бы с точностью до 20-го знака функции с постоянными седьмыми разностями. Для сравнения укажем, что созданная в 1934 году его соотечественником Комри машина работала с разностями шестого порядка и с точностью до 13 знаков!
Бэббидж писал однажды: «Если непредубежденный моим примером какой-нибудь человек достигнет успеха в конструировании машины, воплощающей в себе целый исполнительский отдел математического анализа, я без риска оставляю свою репутацию на его ответственность, так как только он один сможет полностью оценить природу моих попыток и значения их результатов».
И мы, восхищаясь достижениями вычислительной техники, воздадим должное ее пророку — сложному, противоречивому человеку, замечательному ученому и инженеру Чарлзу Бэббиджу!
ХРОНИКА ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
Статистика не должна состоять в одном только заполнении ведомостей размерами с двухспальную простыню никому не нужными числами, а в сведении этих чисел на четвертушку бумаги и в их сопоставлении между собою, чтобы по ним не только видеть, что было, но и предвидеть, что будет.
А. Н. КРЫЛОВ (1863—1945)
еСТАТИСТИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕР»
Вооруженные карандашом и бумагой или в лучшем случае суммирующей машиной американские статистики прошлого века испытывали
острую необходимость в автоматизации длительной, утомительной и однообразной работы по обработке «Эвереста данных» — переписи в США проводятся каждые 10 лет. Именно здесь применил свои незаурядные способности изобретателя сын четы немецких эмигрантов Германн Холлерит.
Он родился 29 февраля 1860 года и умер 17 ноября 1929 года. В детстве Германн ничем не отличался от своих сверстников, разве только особой ненавистью к грамматике. Чтобы не присутствовать на этих уроках, он выпрыгивал из окна второго этажа и убегал домой. В 1919 году знаменитый изобретатель мистер Г. Холлерит скажет: «Жизнь слишком коротка, чтобы правильно писать», но за 50 лет до этого родители вынуждены были забрать его из школы.
Воспитание Германна было доверено пастору местной лютеранской церкви, который, видимо, сумел с этим справиться. Холлерит окончил Торную школу при Колумбийском университете и был принят на работу в статистическое управление при министерстве внутренних
дел США.
Случай свел его с доктором Дж. Биллингсом, возглавлявшим работы по составлению сводных данных. Однажды некая юная мисс обратила внимание на стройного черноволосого юношу, с энтузиазмом поглощавшего в министерском буфете салат из цыплят, и при-
8* |
гласила его отведать цыплячий салат, приготовленный ее матерью. Юная мисс была дочерью доктора Биллинг-са, а юный любитель цыплят — Германном Холлеритом. Приглашение было с благодарностью принято, и, как впоследствии вспоминал Холлерит, за обеденным столом хозяин дома обмолвился о том, что, вероятно, возможно построить машину, которая чисто механически выполняла бы утомительную работу клерков его оффиса.
Голливудского развития «история с салатом» не получила: мисс Биллинге не вышла замуж за Холлерита. Но слова шефа департамента сводных данных заставили 21-летнего Германна надолго задуматься.
В 1882 году он принял должность преподавателя машиностроения в Массачусетском технологическом институте, где и начал разрабатывать «машину для 'переписи населения». Преподавательская деятельность Хол-лериту вскоре наскучила, и он перешел в Вашингтонское бюро патентов. Здесь у Холлерита было больше времени для занятий машиной; кроме того, знание патентного права для изобретателя оказалось небесполезным. В течение 1884—1889 годов Холлерит получил свои четыре основных патента на перфокартные машины, к которым впоследствии прибавилось еще 30.
Первоначально он предполагал использовать в качестве носителя информации бумажную ленту с пробитыми в ней соответствующим образом отверстиями (перфоленту). Но для большого количества данных работа с лентой оказалась затруднительной: лента часто рвалась и требовала перемоток для отыскания нужных сведений.
Удачному решению помог случай. Однажды Холлерит обратил внимание на железнодорожного кондуктора, который с помощью ручного компостера заносил в какой-то бланк сведения о пассажирах. У него возникла идея разработки перфокарты, на которую могли быть нанесены в виде отверстий обрабатываемые данные и которая была бы более удобной «пищей» для машины, нежели лента. Неизвестно, был ли знаком Холлерит с идеями Жаккара и Бэббиджа, но то, что'он предложил, было, по существу, повторением, пройденного. Однако на «носителе информации» сходство кончалось. Все остальное оборудование Холлерита: простой пробойник (перфоратор), сложный пробойник, сортировальная машина и табулятор — было оригинальным.
Основная идея Холлерита состояла в том, чтобы представить подлежащие обработке данные отверстиями в фиксированных местах перфокарты и затем либо подсчитать отверстия на всех перфокартах, либо рассортировать перфокарты по тому же принципу.
Первые перфокарты (85/8 Х 3'/4 дюйма) имели 6 рядов по 32 позиции. Перфорация осуществлялась вручную на пробойнике, состоящем из чугунного корпуса с приемником для карты и собственно пробойника. Над приемником помещалась пластинка с несколькими рядами отверстий; при нажиме рукоятки пробойника над одним из них карта под пластинкой пробивалась нужным образом. Сложный пробойник пробивал на группе карт общие данные одним нажатием ручки.
Сортировальная машина представляла собой несколько ящиков с крышками. Карты продвигались вручную между набором подпружиненных штырей и резервуарами, наполненными ртутью. Когда штырь попадал в отверстие, он касался ртути и замыкал электрическую цепь. При этом приподнималась крышка определенного ящика, и оператор опускал туда карту.
Табулятор работал аналогично сортировальной машине: число обнаруживаемых отверстий подсчитывалось счетчиком. Каждый счетчик имел циферблат со стрелкой, которая перемещалась на единицу шкалы после
каждого отверстия.
Система Холлерита была опробована в 1887 году при составлении статистики смертности в Балтиморе. Затем в 1896 году перфокартные машины были использованы во время очередной переписи населения, сократив время обработки данных почти в четыре раза.
В 1890 году Холлерит получил степень доктора философии от Колумбийского университета и несколько американских научных наград, а спустя три года его «электрический табулятор» был награжден бронзовой медалью Всемирной выставки в Париже.
В 1896 году Холлерит организует компанию табуляторов, которая начинает серийный выпуск машин. Они . проникают в Австрию, Норвегию, Швейцарию, Англию;
были они куплены и русским правительством. Постепенно расширяется сфера их применения: сельскохозяйственная перепись, железнодорожная статистика, начисление заработной платы и учет материалов на крупных предприятиях и т. д.
Между тем Холлерит продолжает совершенствовать свои машины и делает ряд новых изобретений. В 1902 году он создает автоматический табулятор, в котором карты подавались не вручную, а автоматически, и модернизирует свою сортировальную машину. Спустя 6 лет Холлернт предлагает конструкцию сумматора, которая оказалась столь удачной, что ее использовали впоследствии во многих счетно-аналитических машинах.
Сумматор управлялся картами, а наличие отверстий в них обнаруживалось контактными щетками. Цифровые колеса счетчика сумматора поворачивались через зубчатые зацепления от непрерывно вращающегося вала, который нес на себе скользящие кулачковые муфты, управляемые электромагнитами. Когда под контактной щеткой оказывалось отверстие, замыкалась электрическая цепь соответствующего электромагнита, и он включал муфту, которая подсоединяла цифровое колесо к вращающемуся валу; содержимое счетчика в данном разряде увеличивалось на число, пропорциональное углу поворота колеса. Все муфты автоматически выключались при прохождении под щетками ряда «синхронизирующих отверстий». Передача десятков осуществлялась в два приема, примерно так же, как и в разностной машине Бэббиджа.
В 1910—1920 годах появляется ряд других компаний по производству счетно-аналитических машин: в США — «Компания счетных машин Пауэрса»; во Франции — «Компания машин Бюлля», основанная норвежским инженером Фредериком Бюллем, который завещал все свои многочисленные патенты норвежскому-институту раковых исследований. Наличие конкурентов вынудило Хол-лерита в 1911 году продать свою компанию, которая, слившись с другими, образовала впоследствии международную корпорацию но производству вычислительных машин IBM.
Работы Холлерита подготовили дальнейшее развитие перфокартой техники на промышленной основе: в 1913 году появляется «печатающий табулятор» и «накапливающий табулятор» — разновидность специализированной суммирующей электромеханической машины;
в 1921 году к табулятору была присоединена коммутационная доска, позволявшая «направлять» в определенный регистр результат считывания с соответствующего столбца перфокарты; в 1931 году был изобретен вычи-
t6&
слительный (или множительный) перфоратор, а в 1936 году—алфавитно-цифровые перфокартные машины; наконец в 1946 году были созданы первые электронные счетно-аналитические машины.
Счетно-аналитические машины в настоящее время очень широко применяются для механизации учета, при обработке различных статистических данных и т. п. Комплект современных счетно-аналитических машин содержит перфораторы, сортировальные машины и табуляторы. Они автоматически выполняют именно ту работу, которую предназначил им в свое время Холлерит.
В 1895 году Холлерит выступал с лекциями о своих машинах в Европе. В Берне он был представлен собравшимся как «статистический инженер». «Я вовсе не удивлюсь, если это определение не станет общепринятым,— писал Холлерит жене.— Но если все же в будущем это случится, я буду счастлив от того, что был первым <ста-тистическим инженером».
Он действительно им был.
ПОКОЛЕНИЯ, ПОКОЛЕНИЯ...
В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин, в основу которой положен физико-технологический принцип. В соответствии с этим принципом машину относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней физических элементов или от технологии их изготовления. Из сказанного видно, что правильнее говорить не о периодизации, а о классификации: границы поколений в смысле времени сильно «размыты», так как в одно и то же время фактически выпускались машины раз-личных типов;
для отдельной же машины вопрос о ее принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.
Первое поколение охватывает все первые вычислительные машины, использовавшие ламповые триггеры и прочие ламповые элементы. Развитие машин первого поколения завершилось в основном к середине 50-х годов. Выпускались они, разумеется, значительно дольше и эксплуатировались до самого последнего времени.
Характерными чертами машин первого поколения можно считать не только использование электронных ламп в триггерах и вспомогательных усилительныхсхе-
мах, но и некоторые другие особенности, которые частично сохранились и в последующих поколениях: параллельное арифметическое устройство; разделение памяти машины на быстродействующую оперативную ограниченного объема, выполненную на электронно-лучевой трубке или (позже) на ферритовых сердечниках, и медленную внешнюю очень большого объема, использовавшую магнитные барабаны и ленты; полупроводниковые диоды и магнитные сердечники в логических элементах машины; перфолента и перфокарта как внешний носитель информации при вводе и выводе данных. Типичное (среднее) быстродействие машин первого поколения измерялось десятками тысяч арифметических операций в секунду.
Начиная с середины 50-х 'годов на смену ламповым машинам пришли транзисторные машины второго поколения, в которых основными элементами были полупроводниковые триоды — транзисторы.
1 июля 1948 года на одной из страниц «Нью-Йорк тайме», посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Браттэйн создали первый действующий транзистор. Это был точечноконтактный прибор, в котором два металлических «усика» контактировали с бруском из поликристаллического германия.
Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую в 1938 или 1939 году начал физик-теоретик Уильям Шокли. Впрочем, если быть точнее, история транзистора началась гораздо раньше. Еще в 1906 году француз Писар предложил кристаллический детектор, затем в 1922 году советский радиофизик О. В. Лосев показал возможность усиления и генерирования колебаний с помощью таких детекторов. Спустя три года профессор Лейпцигского университета Юлиус Лилиенфельд попытался создать усилительный полупроводниковый прибор. Однако эти эксперименты были забыты. О них вспомнили лишь после того, как транзистор завоевал всемирное признание. Произошло это, кстати, довольно быстро: после нескольких лет поисков технологии изготовления полупроводниковых приборов и изобретения новых конструкций (в част-
ности, плоскостного транзистора, запатентованного У. Шокли в 1951) целый ряд американских фирм приступил к серийному выпуску транзисторов, которые на первых порах использов.ались в основном в аппаратуре радио и связи. Примерно в 1956 году появляются первые транзисторные ЭВМ.
Транзисторные машины обладали значительно более высокой надежностью, чем их ламповые «родители», меньшим потреблением энергии, более высоким быстродействием, которое достигалось не только за счет повышения скорости переключения счетных и запоминающих элементов, но и за счет изменений в структуре машин. Для наиболее мощных машин второго поколения, таких, как «Стретч» (США), «Атлас» (Англия), БЭСМ-6 (СССР), характерен высокий параллелизм в работе отдельных блоков, начиная от «перекрытия» времени выполнения отдельных команд и кончая параллельным выполнением двух или более последовательных команд из одной программы или из разных программ, что позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду!
Дальнейшее увеличение быстродействия ЭВМ тормозилось конструктивным выполнением электронных схем машин, которые собирались из отдельных элементов — резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Препятствием увеличению скорости работы вычислительной машины служит недостаточная скорость распространения электромагнитных сигналов, сравнимая со скоростью света. Как известно, скорость света составляет 3-Ю10 см/с. Если переключательный элемент будет работать со скоростью 109 переключений в секунду, то за время переключения сигнала успеет пройти около 30 сантиметров, тогда как расстояние между элементами может оказаться в 2—3 раза большим. Весь выигрыш в скорости переключения окажется «съеденным» временем передачи сигнала.
Дальнейшая миниатюризация конструктивных элементов затрудняется необходимостью работы с каждым в отдельности: например, к каждому транзистору нужно припаять три вывода. Выходом из этих затруднений явилась интегральная технология, позволившая объединить в одном электронном приборе несколько ячеек «и», «или» или триггеров. Такие малые интегральные схемы (МИС) явились отличительным признаком машин тре-
тьего поколения, временем возникновения которых можно считать годы от 1965 до 1970-го.
Развитие интегральной технологии привело » тому, что в начале 70-х годов научились изготавливать интегральные схемы, содержащие до 50 вентилей, несколько десятков триггеров и т. д. Каждая такая средняя интегральная схема может быть использована как отдельная операционная схема ЭВМ — регистр, счетчик, дешифратор- и т. д. Применение средних интегральных схем характеризует четвертое поколение вычислительной техники, которое, вероятно, скоро достигнет расцвета.
Наряду с повышением скорости выполнения арифметических операций и увеличением «памяти» машин шло совершенствование устройств ввода-вывода данных. Разрабатывались принципиально новые средства, связанные с новыми применениями и ростом быстродействия ЭВМ. На смену устройств, основанных на использовании перфорационных карт, электрифицированных машинок и телетайпов, пришли бесконтактные клавиатуры, панели графического ввода, читающие автоматы, дисплей со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и т. д.
Конечно, развитие вычислительной техники идет не только по линии изменения элементно-технологической базы. Возникновение и развитие машин второго и третьего поколений сопровождалось появлением новых идей по структуре вычислительных машин (или компьютеров — этот термин в последнее время приобретает все более широкое распространение), программированию, использованию и эксплуатации вычислительных систем и т. п. Но для того чтобы хотя бы кратко рассказать об этих идеях, потребовалась бы еще одна книга, не меньшего объема, чем эта *. Мы ограничимся поэтому лишь высказыванием крупного голландского специалиста в области программирования и численных методов Дийк-стры: «Для появления джентльмена, по убеждению ан-
• Читатель, вероятно, заметил, что по мере приближения к нашему времени, книга все больше и больше «худела». Такое «исхудание» соответствовало целям авторов — мы не стремились рассказать об идеях современной вычислительной техники, а лишь подвести читателя к тому моменту в ее истории, когда эта техника вступила в свои права. Мы надеемся обратиться к этой теме в других своих книгах.
гличан, нужны три благородных поколения; очевидно, это справедливо и для вычислительных машин...»
Что же будет после того, как окончится век «машин-джентльменов»?
Пятое поколение — это Большие Интегральные Схемы (БИС), целые вычислительные машины в кубике размером 30 X 30 X 30 миллиметров, быстродействие, близкое к скорости света, компьютеры с искусственным интеллектом, электронный мозг, который...
Стоп! Здесь, наверное, самое время еще раз обратиться к художественной литературе, неоднократно выручавшей нас ранее. Вот что писал по сходному поводу Алексей Николаевич Толстой:
«Честность, стоящая за моим писательским креслом, останавливает разбежавшуюся руку: «Товарищ, здесь ты начинаешь врать, остановись—поживем, увидим. Поставь точку» («Ибикус, или Похождения Невзорова»),
НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ. ЗАКЛЮЧАЮЩИЕ КНИГУ
Первая электронная вычислительная машина использовалась в 1945 году для баллистических расчетов, предсказаний погоды и некоторых научно-технических вычислений.
Спустя двадцать лет досужие сотрудники американского журнала «Компьютере энд аутомейшн» насчитали уже свыше 600 областей применения ЭВМ.
А в июльском номере 1973 года этот же журнал опубликовал перечень 2500 «профессий» компьютеров, в том числе 1300, относящихся к деятельности коммерческих фирм и государственных органов, 900 — в области науки и техники, 200—на производстве и 100—в гуманитарных науках.
Удивительно?
Да, удивительно. Но и закономерно.
Удивительно потому, что даже самые смелые футурологи и самые дерзкие писатели-фантасты не смогли предугадать столь бурного развития вычислительной техники, столь неудержимого проникновения компьютеров во все сферы человеческой деятельности.
А закономерно потому, что когда в обществе возникает техническая потребность, то она, по выражению Ф. Энгельса, двигает науку вперед быстрее, чем дюжина университетов.
Потребность человеческого общества в вычислительных машинах — одна из характерных черт современной научно-технической революции.
30—40 тысяч лет назад человек научился добывать и поддерживать огонь, но лишь примерно в середине
XVIII столетия он смог использовать это умение для создания первых паровых машин. Промышленная революция конца XVIII — начала XIX века самым радикальным образом преобразовала производство. Руки и физическую силу человека постепенно заменили механизмы, машины, станки. Научное и промышленное применение электричества, разработка и использование приборов и средств автоматизации позволили уже в наш век не только механизировать, но и автоматизировать многие технологические процессы. По данным академика А. И. Берга, 99 процентов всей полезной работы, выполняемой на земле, осуществляется в настоящее время машинами и лишь один процент — механизированной рабочей силой.
Быстрое нарастание объема информации, связанное с бурным развитием науки,, усложнением техники и технологии, ускорением темпов развития производства и общественной жизни, привело к такому же увеличению затрат нервной энергии и умственного труда. В ряде случаев (особенно в сфере управления производством, экономическими и социальными процессами) уже невозможно обходиться без совершенных технических средств, способных взять на себя часть интеллектуальной работы.
Смысл сегодняшней автоматизации и состоит в передаче автоматам значительной доли информационной деятельности человека: восприятие обстановки, понимание знаков, способность рассуждать, сопоставлять, оценивать, ставить цели, принимать решения и находить пути к их достижению.
Таким универсальным «информационным автоматом» и стала ЭВМ. Широкое применение компьютеров прямо или косвенно воздействует на все стороны жизни общества, причем чрезвычайно многообразные последствия этого воздействия можно разделить на две группы. К первой относятся процессы, возникающие из самой сущности науки и техники как средств активизации человеческой деятельности. Вторую образуют процессы, зависимые от социальных условий и, следовательно, различные для капиталистических стран и стран социализма.
Автоматизация в мире капитала — это средство усиления эксплуатации. Она выбрасывает из сферы труда рабочих и служащих, делая их так называемыми техно'
логическими безработными, обрекает массу людей на физическую и интеллектуальную деградацию. Главная цель капиталистического производства — извлечение прибыли, этой цели подчинены темпы и ритмы трудового процесса. Капиталиста не интересует, что происходит с человеком в системе «человек — машина», его интересует только одно: как, каким образом с помощью этой системы добиться интенсификации производства для получения сверхприбыли. Если человек в этой системе становится лишним звеном, тем хуже для него.
Так, в мире капитала «новые, до сих пор неизвестные источники богатства благодаря каким-то странным непонятным чарам превращаются в источники нищеты. Победы техники как бы куплены ценой моральной деградации. Кажется, что по мере того, как человечество подчиняет себе природу, человек становится рабом других людей, либо же рабом своей собственной подлости» (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т. 12, с. 4).
Совершенно иначе обстоит дело в социалистическом обществе.
Здесь автоматизация как физического, так и умственного труда имеет своей целью облегчение его условий, создание такой ситуации, когда в максимальной степени проявляются творческие способности человека, устранение однообразных и утомительных операций и изменение тем самым характера самой производственной деятельности человека. При этом ЭВМ органически входит в основные технические средства создания материально-технической базы коммунизма.
Злоключения и машины сэра Сэмюэла . . Новые действующие лица в старой истории
ОГЛАВЛЕНИЕ Некоторые замечания, предваряющие книгу ....... 4 Часть I. Первые шаги Время выкладывать камешки ............. 6 <Это было началом начал...» ............. 6 От абака... .... ............. 8 Пастушонок Герберт и папа Сильвестр II ........ 10 Счет на линиях... .... ........... 13 Судьба «дощаного счета» ............ 15 Поэзия вычислений ... ............. 18 Шотландец, валлиец и англичане . .......... 18 <У поэтов есть такой обычай...» ........... 21 Глубина солода . . ............. 25 Как появился «бегунок» . . ............ 27 Линейка становится сложнее ............ 28 Часть П. Theatrum arithmeiticum «Арифметика—царица математики» .......... 31 Два вечера у герцогини д'Эгийон ........... 31 Кто изобрел колесо? .......... 37 Кто же изобрел колесо? ............ . . 41 «Новый и чрезвычайно полезный инструмент для сложения и вычитания...» ... . ... .41 Еще одно увлечение господина Клода Перро ...... 42 Машина мятежного профессора . ....... 47 Третья сторона медали . . ...... 48 Первая отечественная... .... ...... 51 «Числительный снаряд» почетного гражданина города Бе-лостока ..,,.. ........... 53 «Подводя итоги...» ........,,.,..,>. 59 «О, этих клавиш строй блестящий...» .,..,..... 62 Счетный универсал ... ............ 69 В поисках lingua generalis ............. 70 Гражданин граф . . ................ 76 «Гордость Вюртембурга и слава Германии» ....... 81 Идея синьора Полени . ............. 85 Механик — это звучит гордо . .......... 88 История одной идеи ................ 92 Достославный барон Непер . . .......... 92 XVII столетие, Кирхер, Шотт и другие ......... 98 |
Часть III. Пионеры автоматизации вычислении «ОдимочествФ бегуна на длинные дистанции» . , Счастливые годы . . . ......... Разностная машина . . ......... Хроника «главного дела жизни» Бэббиджа . . Аналитическая машина . . . ...... Леди Лавлейс—первая программистка . . . . «Вклад философа в человеческие знания» . . . Наброски к портрету Чарлза Бэббиджа эсквайра Хроника продолжается .......... «Статистический -инженер» . . ...... Наследник из департамента морского календаря Часть IV. ... и, наконец, компьютер... Недолгий век релейных машин ....... Мечта Бэббиджа сбылась... ........ «Чисто» релейные машины . . ...... РВМ-1 Н. И. Бессонова .......... ...до компьютера! ............. Еще раз начало . . .......... Проект Атанасова, или Было ли начало началом? От ЭНИАКа до ДЖОНИака . ...... Электронный мозг . . ......... Первые советские ЭВМ . ......... Поколения, поколения... . . . ...... Некоторые замечания, заключающие книгу . , |