Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа. Биография, идеи и изобретения Чарльза Бэббиджа

Чарльз Бэббидж – английский математик и изобретатель, который спроектировал первый автоматический цифровой компьютер. Кроме того, он помог создать современную английскую почтовую систему и составил первые надежные актуарные таблицы, изобрел разновидность спидометра и железнодорожный путеочиститель.

Биография Чарльза Бэббиджа

Родился в Лондоне 26 декабря 1791 года в семье партнера банка Praeds Бенджамина Бэббиджа, владельца Биттон-эстейт в Тинмуте, и Бетси Пламли Тип. В 1808 году семья решила переехать в старый Роуден-хаус, расположенный в Ист-Тинмуте, и отец стал старостой соседней церкви Святого Михаила.

Отец Чарльза был богатым человеком, поэтому он мог учиться в нескольких элитных школах. В 8 лет ему пришлось перейти в сельскую школу, чтобы оправиться от опасной болезни. Его родители решили, что мозг ребенка «не стоило слишком напрягать». По словам Бэббиджа, «это великое безделье, возможно, привело к некоторым из его детских рассуждений».

Затем он поступил в гимназию короля Эдуарда VI в Тотнесе, Саут-Девон, процветающую общеобразовательную школу, которая действует и по сей день, но состояние здоровья вынудило Чарльза на время обратиться к частным преподавателям. Наконец он попал в закрытую академию на 30 учеников, которой руководил преподобный Стивен Фриман. Учреждение располагало обширной библиотекой, которую Бэббидж использовал для самостоятельного изучения математики и научился любить ее. После ухода из академии у него было еще два личных наставника. Один из них был клириком Кембриджа, о преподавании которого Чарльз отозвался следующим образом: «Боюсь, что я не извлек всех преимуществ, которые мог бы получить». Другой был преподавателем Оксфорда. Он обучал Чарльза Бэббиджа классике, чтобы тот мог быть принят в Кембридж.

Учеба в университете

В октябре 1810 года Бэббидж прибыл в Кембридж и поступил в Тринити-колледж. Он имел блестящее образование – знал Лагранжа, Лейбница, Лакруа, Симпсона и был серьезно разочарован доступными математическими программами. Поэтому он вместе с Джоном Гершелем, Джорджем Пикоком и другими друзьями решил сформировать Аналитической общество.

Когда в 1812 году Бэббидж перевелся в кембриджский Петерхаус, он был лучшим математиком- но он не окончил его с отличием. Почетную степень он получил позже, даже не сдавая экзаменов, в 1814 году.

В 1814-м Чарльз Бэббидж женился на Джорджиане Уитмор. Его отец по каким-то причинам так никогда и не благословил его. Семья жила в спокойствии в Лондоне, на Девоншир-стрит, 5. Только трое из их восьмерых детей дожили до взрослого возраста.

Отец Чарльза, его жена и один из его сыновей трагически погибли в 1827 году.

Проект компьютера

Во времена Чарльза Бэббиджа при расчете математических таблиц часто допускались ошибки, поэтому он решил найти новый метод, который бы делал это механически, устраняя фактор человеческой ошибки. Эта идея зародилась у него его очень рано, еще в 1812 году.

Три различных фактора повлияли на принятие им такого решения:

• он не любил неаккуратность и неточность;
• ему легко давались логарифмические таблицы;
• его вдохновили существующие работы по счетным машинам У. Шикарда, Б. Паскаля и Г. Лейбница.

Основные принципы расчета устройства он обсудил в письме сэру Х. Дэви в начале 1822 года.

Разностная машина

Бэббидж представил то, что он назвал «разностной машиной», Королевскому астрономическому обществу 14 июня 1822 года в работе, озаглавленной «Замечания о применении машинного вычисления астрономических и математических таблиц». Он мог вычислять многочлены с помощью численного метода, называемого разностным.

Общество одобрило идею, и в 1823 году правительство предоставило ему 1500 фунтов на ее постройку. Бэббидж сделал в одной из комнат своего дома мастерскую и нанял Джозефа Клемента надзирать за постройкой устройства. Каждую часть нужно было делать вручную с помощью специальных инструментов, многие из которых разработал он сам. Чарльз совершил множество поездок по промышленным предприятиям, чтобы лучше понять производственные процессы. На основании этих путешествий и своего личного опыта создания машины в 1832 году Бэббидж опубликовал работу «Об экономике машин и производства». Это была первая публикация о том, что сегодня называется "научная организация производства".

Личная трагедия и путешествие по Европе

Смерть жены Джорджианы, отца Чарльза Бэббиджа и его малолетнего сына прервали строительство в 1827 году. Работа сильно обременяла его, и он был на грани срыва. Джон Гершель и несколько других друзей убедили Бэббиджа совершить поездку в Европу, чтобы восстановить силы. Он проехал через Нидерланды, Бельгию, Германию, Италию, посещая университеты и производства.

В Италии он узнал, что его назначили Лукасовским профессором математики Кембриджского университета. Первоначально он хотел отказаться, но друзья убедили его в обратном. По возвращении в Англию в 1828 году он переехал на Дорсет-стрит, 1.

Возобновление работы

Во время отсутствия Бэббиджа проект разностной машины попал под огонь критики. Распространились слухи, что он впустую потратил деньги правительства, что машина не работает и что она не имела бы никакого практического значения, если бы была сделана. Джон Гершель и Королевское общество публично защищали проект. Правительство продолжило свою поддержку, предоставив 1500 фунтов 29 апреля 1829 года, 3000 фунтов 3 декабря и столько же 24 февраля 1830 года. Работа была продолжена, но Бэббидж постоянно испытывал затруднения с получением денег из казны.

Отказ от проекта

Финансовые проблемы Чарльза Бэббиджа совпали с обострением разногласий с Клементом. Бэббидж за своим домом построил двухэтажную, 15-метровой длины мастерскую. У нее была стеклянная крыша для освещения, а также несгораемая чистая комната для хранения машины. Клемент отказался переезжать в новую мастерскую и потребовал денег на переезды по городу для наблюдения за работой. В ответ Бэббидж предложил ему получать плату непосредственно из казны. Клемент отказался и прекратил работу над проектом.

Более того, отказался передать чертежи и инструменты, используемые для создания разностной машины. После инвестирования 23 000 фунтов, в том числе 6000 фунтов собственных средств Бэббиджа, работа над незавершенным устройством прекратилась в 1834 г. В 1842 году правительство официально отказалось от этого проекта.

Чарльз Бэббидж и его аналитическая машина

В удалении от разностной машины изобретатель начал думать об ее улучшенном варианте. Между 1833 и 1842 годами Чарльз пытался построить устройство, которое можно бы было запрограммировать на производство любых вычислений, а не только относящихся к полиномиальным уравнениям. Первый прорыв произошел, когда он перенаправил вывод аппарата на его вход для решения дальнейших уравнений. Он описал это как машину, которая «ест свой собственный хвост». Ему не понадобилось много времени на определение основных элементов аналитического двигателя.

Вычислительная машина Чарльза Бэббиджа для ввода данных и указания порядка необходимых вычислений использовала перфокарты, заимствованные у жаккардового ткацкого станка. Устройство состояло из двух частей: мельницы и хранилища. Мельница, соответствующая процессору современного компьютера, выполняла операции над данными, полученными из хранилища, которое можно считать памятью. Это был первый в мире компьютер общего назначения.

Компьютер Чарльза Бэббиджа был спроектирован в 1835 году. Масштаб работы был поистине невероятным. Бэббидж и несколько помощников создали 500 крупных проектных чертежей, 1000 листов механических обозначений и 7000 листов описаний. Завершенная мельница была 4,6 м в высоту и 1,8 м в диаметре. Хранилище на 100 цифр простиралось на 7,6 м. Для своей новой машины Бэббидж построил лишь небольшие тестовые части. Полностью аппарат так и не был завершен. В 1842 году, после неоднократных неудачных попыток получить правительственное финансирование, он обратился к сэру Роберту Пилю. Тот отказал и вместо этого предложил ему рыцарское звание. Бэббидж отказался. Он продолжал изменять и совершенствовать конструкцию в течение многих последующих лет.

Графиня Лавлейс

В октябре 1842 года Федерико Луиджи, итальянский генерал и математик, опубликовал статью об аналитической машине. Августа Ада Кинг, графиня Лавлейс, давний друг Бэббиджа, перевела работу на английский язык. Чарльз предложил ей снабдить перевод примечаниями. Между 1842 и 1843 годами пара совместно написала 7 заметок, суммарная длина которых в три раза превысила фактический размер статей. В одной из них Ада подготовила таблицу выполнения программы, которую Бэббидж создал для вычисления чисел Бернулли. В другой она писала об обобщенной алгебраической машине, которая может выполнять операции с символами так же, как с цифрами. Лавлейс была, пожалуй, первой, кто понял более общие цели устройства Бэббиджа, а некоторые считают ее первым в мире компьютерным программистом. Она начала работать над книгой, описывающей аналитическую машину более детально, но не успела ее закончить.

Чудо машиностроения

В период между октябрем 1846-го по март 1849-го Бэббидж приступил к проектированию второй разностной машины, используя знания, полученные им при создании аналитической. В ней использовалось лишь 8000 частей, в три раза меньше, чем в первой. Это было чудо машиностроения.

В отличие от аналитической, которую он постоянно отлаживал и модифицировал, вторая разностная машина Чарльза Бэббиджа после завершения первоначального этапа разработки изменениям не подвергалась. В дальнейшем изобретатель не предпринимал никаких попыток построить устройство.

24 чертежа оставались в архивах музея науки, пока идеи Чарльза Бэббиджа не были реализованы в 1985-1991 годах созданием полноразмерной реплики по случаю 200-й годовщины со дня его рождения. Размеры устройства составили 3,4 м в длину, 2,1 м в высоту и 46 см в глубину, а его вес – 2,6 тонны. Пределы точности были ограничены значениями, которых можно было достичь в то время.

Достижения

В 1824 году Бэббидж получил Золотую медаль Королевского астрономического общества «за его изобретение машины для вычисления математических и астрономических таблиц».

С 1828 по 1839 г. Бэббидж был Лукасовским профессором математики в Кембридже. Он много писал для ряда научных периодических изданий, а также сыграл важную роль в создании Астрономического общества в 1820 году и Статистического общества в 1834 году.

В 1837 году, отвечая на 8 официальных Бриджуотерских трактатов «О силе, мудрости и благости Бога, проявляющегося в творении», он опубликовал девятый Бриджуотерский трактат, выдвинув тезис о том, что Бог, обладая всемогуществом и дальновидностью, создал божественного законодателя, производящего законы (или программы), которые затем в соответствующие моменты времени создавали виды, тем самым устраняя необходимость совершать чудеса каждый раз, когда требовалось сотворить новый вид. Книга содержит отрывки из переписки автора с Джоном Гершелем на эту тему.

Чарльз Бэббидж также добился заметных результатов в криптографии. Он сломал шифр с автоключом, а также значительно более слабый шифр, который сегодня носит название шифра Виженера. Открытие Бэббиджа была использовано английскими военными и было опубликовано лишь через несколько лет. В результате право первенства перешло к Фридриху Касиски, который пришел к тому же результату на несколько лет позже.

В 1838 г. Бэббидж изобрел путеочиститель, металлический каркас, прикрепляемый к передней части локомотивов, очищающий пути от преград. Он также провел ряд исследований Большой западной железной дороги Изамбарда Кингдома Брюнеля.

Он лишь однажды попытался заняться политикой, когда в 1832 году участвовал в выборах в местечке Финсбери. По результатам голосования Бэббидж занял последнее место.

Математик и изобретатель умер 18 октября 1871 года в возрасте 79 лет.

Части созданных им незавершенных механизмов вычислительных устройств доступны для посещения в музее науки в Лондоне. В 1991 году была построена разностная машина Чарльза Бэббиджа на основании его первоначальных планов, и она функционировала отлично.