Чарльз Бэббидж
Чарльз Бэббидж -- британский математик, философ и инженер XIX века, вошедший в историю как создатель концепции программируемой вычислительной машины. Его разностная и аналитическая машины на десятилетия опередили технологические возможности эпохи и заложили архитектурные принципы, которые легли в основу компьютеров XX века.
Происхождение и детство
Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в Лондоне в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Плумли Тип. Семья принадлежала к состоятельному среднему классу, и отец мог обеспечить сыну дорогое образование. В детстве Чарльз страдал слабым здоровьем: в восемь лет его отправили в небольшую частную школу в Альфингтоне (Девон), специально попросив священника не перегружать мальчика занятиями.
Позднее Бэббидж учился в гимназии в Тотнесе, затем перешёл в академию в Энфилде, где и произошла встреча, определившая всю его жизнь: в библиотеке академии он нашёл учебники по алгебре и увлёкся математикой настолько, что просиживал над книгами до трёх часов ночи. Когда здоровье вновь подвело, занятия продолжились с частными репетиторами -- священником из Кембриджа и преподавателем из Оксфорда.
Кембридж и научное становление
В 1810 году Бэббидж поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета. Он быстро обнаружил, что уже знает больше своих преподавателей: самостоятельно освоил труды Ньютона, Лейбница, Лагранжа и других континентальных математиков, тогда как британская академическая традиция по-прежнему опиралась на устаревшие методы Ньютона в записи дифференциального исчисления.
В 1812 году вместе с Джоном Гершелем и Джорджем Пикоком Бэббидж основал «Аналитическое общество» -- студенческий кружок, поставивший целью внедрить современную европейскую математику в Кембридж. Общество перевело французские трактаты и выпустило сборники задач (1816, 1820), которые постепенно изменили учебные программы. В 1814 году Бэббидж перевёлся в колледж Святого Петра (Питерхаус) и получил степень бакалавра. В 1816 году его избрали членом Лондонского королевского общества, а в 1820 году он вступил в Королевское астрономическое общество и Королевское общество Эдинбурга. С 1827 по 1839 год Бэббидж занимал Лукасовскую кафедру математики в Кембридже -- ту самую, которую прежде занимал Исаак Ньютон.
Разностная машина: замысел и строительство
Идея автоматического вычислителя возникла у Бэббиджа около 1812 года, когда он убедился, насколько ненадёжны математические таблицы, составленные вручную. Логарифмические и тригонометрические таблицы, которыми пользовались мореплаватели, артиллеристы и инженеры, кишели ошибками: их составляли сотни людей-«вычислителей», и человеческий фактор был неустраним. Бэббидж предложил механизм, который исключил бы ошибки в принципе.
С 1819 по 1822 год он построил малую демонстрационную модель разностной машины. Устройство работало с восемнадцатизначными числами, вычисляло 12 членов числовой последовательности в минуту и решало полиномы седьмой степени. В 1822 году Бэббидж продемонстрировал машину Королевскому астрономическому обществу и в 1824 году получил его первую золотую медаль. В 1823 году Королевское общество рекомендовало правительству финансировать полноразмерную машину, и Казначейство выделило первые 1500 фунтов стерлингов.
Полноразмерная Разностная машина N1 должна была состоять из 25000 деталей, весить около 14 тонн и достигать 2,5 метра в высоту. Работу взялся выполнять механик Джозеф Клемент -- один из лучших инструментальщиков Лондона. К 1827 году государство потратило 3500 фунтов, ещё более 1000 фунтов добавил из собственных средств сам Бэббидж. В 1830 году правительство выделило ещё 9000 фунтов. В 1833 году Клемент внезапно остановил работы: разгорелся спор о компенсации за перенос мастерской ближе к дому изобретателя. Около 12000 готовых прецизионных деталей были впоследствии переплавлены. К 1842 году государство потратило на проект в общей сложности 17500 фунтов -- по тогдашним меркам стоимость двадцати двух новых паровозов -- и окончательно прекратило финансирование. Машина так и осталась недостроенной.
Аналитическая машина: архитектура будущего
Ещё в 1833 году, пока спор с Клементом не разрешился, Бэббидж начал проектировать нечто принципиально иное: универсальный программируемый вычислитель, который он назвал аналитической машиной. В отличие от разностной, предназначенной только для табулирования полиномов, аналитическая машина должна была выполнять любой алгоритм.
В архитектуре машины угадываются прямые аналогии с современным компьютером. «Склад» (Store) хранил до 1000 пятидесятизначных чисел -- аналог оперативной памяти. «Мельница» (Mill) выполняла арифметические и логические операции -- аналог процессора. Управляющий блок читал инструкции с перфокарт двух типов: операционных (последовательность операций) и карт переменных (данные). Идею перфокарт Бэббидж позаимствовал у жаккардового ткацкого станка, управляемого картонными шаблонами с отверстиями. Предусматривались также ветвление и циклы: машина могла выбирать дальнейший путь вычислений в зависимости от промежуточных результатов. Ни один реальный компьютер не воплотит эти принципы вплоть до 1940-х годов.
В 1840 году Бэббидж приехал в Турин по приглашению итальянских математиков и прочёл цикл лекций о машине. Луиджи Менабреа, преподаватель артиллерийской академии (впоследствии премьер-министр Италии), записал лекции и опубликовал конспект на французском языке. Именно этот текст стал отправной точкой для главного сотрудничества в жизни Бэббиджа.
Сотрудничество с Адой Лавлейс
Аду Августу Лавлейс, дочь поэта Джорджа Байрона, Бэббидж впервые встретил в 1833 году на одном из своих знаменитых субботних вечеров. Молодая женщина проявила немедленный и глубокий интерес к вычислительной машине, и между ними завязалась многолетняя дружба и деловое партнёрство.
В 1843 году Ада Лавлейс перевела конспект Менабреа с французского на английский и дополнила его собственными комментариями, которые в итоге превысили исходный текст по объёму примерно втрое. В примечаниях она описала алгоритм вычисления чисел Бернулли -- задачу, которую должна была решить аналитическая машина. Этот алгоритм принято считать первой программой в истории. Лавлейс также высказала пророческую мысль о том, что машина способна манипулировать любыми символами, а не только числами, и что однажды она сможет сочинять музыку. Бэббидж называл её «волшебницей чисел». По свидетельствам современников, именно Лавлейс предложила применить двоичную систему вместо десятичной, хотя Бэббидж в итоге остался при своём решении.
Лавлейс умерла в 1852 году в возрасте 36 лет от рака. Бэббидж пережил свою главную союзницу почти на двадцать лет и так и не нашёл человека, который с той же глубиной понял бы его проект.
Экономика производства и другие работы
Параллельно с машинами Бэббидж занимался политической экономией. В 1832 году он опубликовал книгу «Экономика механизмов и производств» (On the Economy of Machinery and Manufactures), которая выдержала несколько изданий и была переведена на несколько языков. В ней Бэббидж развил смитовский принцип разделения труда: он показал, что разбивка работы на операции разной сложности позволяет платить работнику ровно столько, сколько требует его конкретный навык, -- не больше и не меньше. Этот принцип в британской экономической науке получил название «принципа Бэббиджа» и лёг в основу теории научной организации труда. Карл Маркс цитировал эту книгу в «Капитале».
Бэббидж изобрёл спидометр и принял участие в создании тахометра, разработал устройство для сброса посторонних предметов с железнодорожных путей перед локомотивом (прообраз современного коровьего отбойника), усовершенствовал методы изготовления зубчатых колёс и предложил метод литья под давлением. Он одним из первых взломал шифр Виженера, считавшийся нераскрываемым, и во время Крымской войны работал над дешифровкой русских военных сообщений для британского командования. Среди его изобретений также офтальмоскоп, сейсмограф и устройство наведения артиллерийского орудия. Он составил первые надёжные страховые таблицы в Великобритании и стал одним из основателей Лондонского статистического общества.
Эксцентричность и борьба с уличным шумом
Бэббидж был человеком резких суждений и открытого темперамента. Он отказался от предложенных ему баронского и рыцарского титулов, сославшись на политические убеждения. Он поднимался на Везувий, опускался под воду в водолазном колоколе, спускался в шахты, чтобы изучить залегание руд, и участвовал в археологических раскопках. По субботам он принимал гостей в своём лондонском доме, и на эти вечера приходили Чарльз Дарвин, Чарльз Диккенс, Огюстен Коши, Александр Гумбольдт и другие знаменитости.
Главной страстью его поздних лет стала борьба с уличными музыкантами. В своей автобиографии «Отрывки из жизни философа» (Passages from the Life of a Philosopher, 1864) он посвятил уличному шуму отдельную главу и составил подробный реестр «инструментов пытки, которые власти ежедневно и еженощно позволяют использовать на улицах Лондона»: органы-шарманки, волынки, трубы, барабаны, скрипки, аккордеоны и «человеческий голос, выкрикивающий товары». Он подсчитал, что уличный шум отнял у него четверть рабочего времени. Вместе с парламентарием Майклом Бассом Бэббидж добился принятия закона о борьбе с уличными шумами (1864). Соседи-музыканты мстили ему: нанимали игроков на шарманках специально под его окна, один из соседей ежедневно в течение нескольких месяцев полчаса дудел в жестяной свисток из окна напротив. По преданию, когда в октябре 1871 года Бэббидж умирал, несколько шарманщиков из его квартала по очереди прошлись под его окнами.
Последние годы и смерть
После окончательного отказа в государственном финансировании в 1842 году Бэббидж продолжал работу над аналитической машиной за собственный счёт. В 1847-1849 годах он завершил чертежи улучшенной Разностной машины N2 -- более компактной и точной версии первоначального проекта. В 1851 году в письме он подвёл невесёлый итог: «Все разработки, связанные с аналитической машиной, выполнены за мой счёт... я вынужден отказаться от дальнейшей работы». В 1864 году он написал пророческие слова: «Пройдёт, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». В действительности потребовалось около восьмидесяти лет.
Чарльз Бэббидж умер 18 октября 1871 года в Лондоне от почечной недостаточности, вызванной инфекцией мочевыводящих путей. Ему было 79 лет. Он был похоронен на кладбище Кенсал Грин. После смерти мозг учёного был извлечён и в течение 36 лет хранился в Хантерианском музее в Глазго. Сегодня одна его половина находится в Лондонском музее науки, вторая -- в Хантерианском музее Королевской коллегии хирургов.
Наследие
Сын Бэббиджа Генри продолжил работу отца. В 1888 году он построил центральный узел аналитической машины, а в 1906 году совместно с компанией Monroe создал действующую модель арифметического устройства с печатающим механизмом. В 1991 году Лондонский музей науки построил полностью рабочий экземпляр Разностной машины N2 из 4000 деталей, используя лишь технологии и допуски, доступные во времена Бэббиджа, -- и машина заработала безупречно, доказав, что изобретатель не ошибся в расчётах. В 2002 году был достроен и печатный механизм к ней. В 2011 году группа энтузиастов запустила проект «Plan 28» по постройке полноразмерной аналитической машины.
Электронно-вычислительная машина МАРК-I, созданная в 1944 году в США, была названа «осуществлённой мечтой Бэббиджа»: её архитектура воспроизводила принципы аналитической машины, а производительность превышала расчётную скорость машины Бэббиджа всего в 10 раз. Имя Бэббиджа носят лунный кратер (присвоено Международным астрономическим союзом в 1935 году), язык программирования Babbage для компьютеров серии GEC 4080 и Институт Чарльза Бэббиджа при Университете Миннесоты, занимающийся историей вычислительной техники. Карл Маркс, изучавший «Экономику механизмов и производств», назвал Бэббиджа одним из ключевых мыслителей промышленного капитализма. История Бэббиджа -- это история человека, который правильно увидел будущее, но не застал его.