Чарльз Бэббидж. Источник: nasledie.digital.

Чарльз Бэббидж: Человек и водоход

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в Лондоне в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и Элизабет Тип. Детство будущего изобретателя сложно назвать простым: он рос довольно болезненным ребёнком, из-за чего ему приходилось ограничивать контакты со сверстниками и подолгу сидеть дома. Ну а как это часто бывает, уединение способствует интеллектуальным интересам раз с соседскими мальчишкам не поиграть в конкерс.

Из‑за слабого здоровья отец не стал отдавать мальчика сразу в обычную школу с жестким распорядком. Сначала для Чарльза организовали обучение на дому, чтобы он мог осваивать знания в щадящем режиме. Мистер Бэббидж старший, будучи человеком обеспеченным, мог позволить себе нанять хороших наставников, и это сыграло большую роль: у ребёнка с ранних лет формировалась привычка к систематическому познанию.

Особенно Чарльза завораживали числа. Он рано научился считать и быстро перешёл от простых арифметических действий к более сложным задачам. Ему нравилось не столько получать ответ, сколько понимать, по каким правилам он получается. Эта привычка искать закономерности и логику позже станет основой его подхода к науке и инженерии.

Когда Чарльзу исполнилось восемь лет, его отправили в частную школу в Альфингтоне, где он находился на попечении священника. Отец специально просил не давать сыну сильных учебных нагрузок, а постепенно приучить к дисциплине и основам знаний. В этой обстановке у Бэббиджа развивалась самостоятельность: он много читал, учился думать и задавать вопросы — качества, которые позже стали фундаментом его научного подхода.

Старинное фото Альфингтона.

Уже в подростковом возрасте Бэббидж начал задумываться о том, как упростить и ускорить вычисления. Он видел, что даже простые расчёты могут быть утомительными и подвержены ошибкам, если делать их вручную. Его интересовало, можно ли создать устройство, которое будет выполнять эти операции автоматически.

Но не математикой единой жил юный парень Чарльз. Еще в один прекрасный момент, видимо под влиянием библейских уроков, ему втемяшилась в голову мысль во что бы то ни стало научиться ходить по воде. Для такого случая юный Бэббидж смастерил какие-то огромные деревянные башмаки и отправился к близлежащему водоему Ривер Дарт. Однако конструкция не прошла испытание, так как толком не имела сцепления с водой и, перевернувшись, Чарльз начал тонуть. Но чудом ему удалось доплыть до берега. К сожалению эскизов данных непотопляемых башмаков не осталось.

Ривер Дарт. Не хватает памятной таблички: “Здесь чуть не утонул отец кибернетики”.

Одним из источников вдохновения для юного Чарльза стали часовые механизмы. Их точность и предсказуемость движения поражали воображение мальчика. Он пытался представить, как можно использовать похожие принципы для создания «вычислительных» устройств. Возможно, именно тогда в его голове впервые зародилась идея машины, которая будет считать без участия человека.

Следующим важным этапом стала академия в Энфилде. Здесь у Чарльза впервые по-настоящему раскрылся интерес к математике. В академии была хорошая библиотека, так что Чарльз, следуя по пути Ньютона, тоже вскарабкался на плечи титанов, чтобы видеть дальше остальных. Мальчик буквально пропадал в сей библиотеке, изучая труды Ньютона, Лейбница, Эйлера и других великих умов. Для подростка это было не просто чтение: он самостоятельно пытался разобраться в доказательствах, проследить логику рассуждений, а порой и найти собственные пути решения задач.

Улица Бейкер-стрит (та самая), где находилась энфилдская академия Бэббиджа. Источник: The Enfield Society.

При этом Чарльз не был «идеальным» учеником или заучкой, если угодно. Его часто увлекали собственные идеи больше, чем школьная программа. Но учителя замечали в нём незаурядный ум и склонность к аналитическому мышлению. Они поощряли его самостоятельные исследования и давали дополнительные материалы, чтобы он мог развивать свой интерес к математике и механике.

Отец, видя увлеченность отпрыска, решил серьёзно подготовить его к поступлению в университет. Для этого Чарльзу наняли репетиторов, в том числе преподавателей из университетской среды. Такой индивидуальный подход позволил ему получить крепкую базу и с успехом поступить в Тринити‑колледж Кембриджского университета в 1810 году.

Недовольство состоянием математики в Англии

В начале XIX века британская математика заметно отставала от континентальной (особенно от французской, где блистали Лаплас и Лагранж, и немецкой). В Кембридже упор делался не столько на глубокое понимание анализа, сколько на механическую подготовку к экзаменам и получение высоких мест в ранжировании студентов — так называемый Tripos. Бэббидж быстро почувствовал, что такая система не способствует развитию науки от слова совсем.

Кембридж в 19 столетии. Источник: Wikimedia.

Вместе с друзьями он основал «Аналитическое общество» (Analytical Society). Это был неформальный кружок, целью которого было продвижение «континентального» подхода к анализу, основанного на работах французских математиков (прежде всего Лагранжа и Эйлера). Среди участников общества были такие заметные фигуры, как Джон Гершель и Джордж Пикок если по-русски, то буквально "Георгий Павлин". Общество иронично высмеивало устаревшие методы, публиковало переводы и собственные работы, а также способствовало внедрению более современных обозначений и методов преподавания.

Бэббидж перевелся из Тринити-колледжа в колледж Святого Петра (Peterhouse), где окончил обучение в 1814 году. Он показал хорошие результаты, хотя и не стал первым в общем рейтинге. Тем не менее его интерес к математике и научным дискуссиям был очевиден и выделял его среди сверстников.

Разностная машина: первый шаг к автоматизации вычислений

В начале XIX века вычисления выполнялись вручную, результаты заносились в таблицы и в впоследствии использовались в навигации, астрономии, инженерии и всяческих бухучетах того времени. Проблема была в том, что люди неизбежно допускали ошибки, а одна неточность могла стоить дорого, например, привести к кораблекрушению.

Бэббидж задумался: а можно ли создать машину, которая будет считать вовсе без ошибок? Его вдохновляли работы других изобретателей, в частности, идеи автоматизации, наработки Лейбница и часовые механизмы, где точность достигалась за счет идеальной подгонки деталей. Он пришёл к выводу, что если задать строгие математические правила, то механизм сможет выполнять вычисления автоматически и гораздо надёжнее человека.

Разностная машина (Difference Engine). Источник: Britannica.

Так родилась концепция «разностной машины» (Difference Engine) — устройства, способного вычислять значения многочленов и автоматически выводить результаты в виде таблиц. Это был серьёзный шаг к созданию программируемых вычислительных систем.

Разностная машина Бэббиджа, изображенная на фронтисписе его сочинения «Отрывки из жизни философа» (1864). Из книжного собрания Стивена Джонса. Источник: synthetic-image.com.

Первая версия разностной машины задумывалась как механический калькулятор, работающий на основе метода конечных разностей. Суть метода проста: чтобы вычислять значения полиномиальных функций, машине не нужно выполнять сложные операции умножения и деления, достаточно многократно складывать.

Бэббидж спроектировал машину с невероятной детализацией: она должна была состоять из тысяч шестерёнок, рычагов и валов, а результат выводиться на металлическую пластину, которую затем можно было использовать для печати. В 1823 году британское правительство даже выделило финансирование на создание прототипа.

Однако проект оказался куда сложнее, чем предполагалось. Технологии того времени не позволяли изготовить детали с необходимой точностью, а сам Бэббидж постоянно совершенствовал конструкцию, добавляя новые функции. В результате финансирование постепенно сокращалось, и работа над разностной машиной так и не была, увы, завершена в полном объёме.

Тем не менее, Бэббидж изготовил отдельные узлы и провёл испытания, которые доказали принципиальную возможность создания такой машины. Сегодня фрагменты разностной машины можно увидеть в музеях, а в конце XX века инженеры построили ее копию по чертежам Бэббиджа — и она действительно работала!

Аналитическая машина: прообраз современного компьютера

Неудача с разностной машиной не сломила Бэббиджа: напротив, она подтолкнула его к еще более амбициозной идее: созданию универсальной вычислительной машины, которую он назвал «аналитической» (Analytical Engine).

Аналитическая машина Бэббиджа. Источник: Wikimedia.

Машина задумывалась как полностью программируемое устройство, способное выполнять любые вычисления, если для них существует алгоритм. Бэббидж разделил устройство на четыре ключевые части, что удивительно напоминает структуру современного компьютера.

«Мельница» (Mill) 

Это «мозг» машины, её арифметико‑логическое устройство. «Мельница» должна была складывать, вычитать, умножать, делить, сравнивать числа и даже извлекать квадратные корни. По сути, это прообраз современного процессора. Все вычисления велись в привычной нам десятичной системе.

«Склад» (Store)

Так Бэббидж называл память машины. Она могла хранить до 1000 чисел, причем каждое — длиной до 50 десятичных знаков. Технически «склад» представлял собой набор вертикальных осей, на каждой из которых располагалось по 50 зубчатых колес — по одному на каждый разряд числа.

Почти полностью ручная работа, что поражает воображение. Источник: intellyx.com.

Устройство управления

УП координировало весь процесс: решало, какие данные взять из «склада», отправить в «мельницу» и куда записать результат. Для хранения инструкций Бэббидж использовал вращающиеся барабаны со штифтами — своего рода ранний вариант постоянной памяти.

Ввод и вывод данных

Для подачи команд и чисел Бэббидж выбрал перфокарты — их уже успешно применяли в жаккардовых ткацких станках для создания узоров, а пару десятилетий спустя наш выдающийся математик Корсаков разработает целую систему хранения и поиска данных с помощью все тех же перфокарточек. В Аналитической же машине было три типа карт:

• карты операций — задавали действия (например, «умножить» или «перейти к другой части программы»);

• карты переменных — указывали, где в «складе» взять данные или куда их записать;

• числовые карты — содержали сами числа, константы для расчётов.

Результаты машина могла выводить несколькими способами: печатать на бумаге, выдавливать на металлических пластинах (чтобы потом без ошибок печатать таблицы) или пробивать на перфокартах для дальнейшей работы. Планировался даже механический графопостроитель.

Самое важное в Аналитической машине — не механика, а скорее её логика. Это была не просто монструозно выглядящая счётная машина, а программируемое устройство, способное менять ход работы в зависимости от того, с какими промежуточными результатами она работала.

Благодаря перфокартам машина могла реализовывать циклы, выполняя одну и ту же последовательность команд несколько раз, пока, наконец, не выполнится нужное условие.

Еще она могла выполнять условные переходы: проверять значение или знак числа и в зависимости от этого переходить к другой части программы. Например, пропускать блок команд или запускать альтернативную ветку вычислений. Именно эта способность принимать решения и менять логику работы делает Аналитическую машину по сути универсальным вычислителем. В теории она могла решать любые вычислительные задачи, как и современные компьютеры. Но можно ли на ней запустить Doom, дорогой мистер Бэббидж?..

Проект был по-настоящему масштабным. Машина должна была быть огромной: примерно как небольшой локомотив: около 4,5 метров в высоту и 7,5 метров в длину. Приводить её в движение предполагалось с помощью парового двигателя.

Бэббидж даже прикинул скорость работы: сложение и вычитание 50‑разрядных чисел занимало бы примерно секунду, а умножение и деление — около минуты. Он подготовил более 200 чертежей и рассмотрел около 30 вариантов компоновки. Но построить машину при жизни ученого так и не удалось.

Главная причина невозможности реализации грандиозного замысла это технологии того времени. Для работы такого сложного механизма требовалось невероятное количество деталей, изготовленных с очень высокой точностью. В XIX веке промышленность просто не могла обеспечить такой уровень обработки металла, а длинная цепь шестерёнок требовала слишком большой силы и неизбежно давала сбои.

Генри Превост Бэббидж. Источник: Wikipedia.

Хотя Аналитическая машина так и не была собрана при жизни Бэббиджа, её архитектура стала фундаментом для вычислительной техники. Частично идеи Бэббиджа удалось воплотить позже. Его сын Генри Превост по чертежам отца собрал центральный блок машины: арифметическое устройство и принтер. В 1888 году эта часть успешно вычислила произведения числа π на натуральные числа от 1 до 32 с точностью до 29 знаков. А уже в наше время, в 1991 году, сотрудники лондонского Музея науки воссоздали «Разностную машину № 2», а в 2000 году принтер Бэббиджа.

Принтер Бэббиджа. По замыслу автора, он должен было автоматически печатать результаты вычислений на бумаге, чтобы человек не переписывал их вручную. Источник: printweek.com.

Ада Лавлейс и первое «компьютерное» программирование

Особую роль в истории аналитической машины сыграла леди Ада Лавлейс, дочь поэта лорда Байрона и талантливая математичка. Она перевела и дополнила описание машины Бэббиджа, добавив собственные комментарии, которые оказались по сути первым в мире описанием алгоритма, предназначенного для исполнения на машине.

Источник: digitalblog.coop.co.uk

В своих заметках Лавлейс описала, как с помощью перфокарт можно заставить машину вычислять числа Бернулли. Более того, она предсказала, что подобные устройства в будущем смогут обрабатывать не только числа, но и символы, музыку, изображения — то есть выйдут далеко за рамки чистой математики.

Именно поэтому Аду Лавлейс часто называют первым программистом в истории, а её работа стала мостом между идеями Бэббиджа и будущим развитием информатики.

Завершение активной фазы работ над вычислительными машинами

Сатирическая карикатура на аналитическую машину Бэббиджа. Машина показана приблизительно в том виде, в каком Бэббидж и намеревался ее построить. Источник: London Islamic School.

К середине XIX века стало окончательно ясно, что ни разностная, ни аналитическая машина не будут построены при жизни Бэббиджа в силу своей экстенсивной конструкции. В 1851 году он предпринял последнюю серьёзную попытку продвинуть проект разностной машины, предложив вариант «Разностной машины 2», упрощенный и более технологичный. Он надеялся, что "сиквел" окажется приемлемым для реализации с учетом возможностей тогдашней механики. Но и эта попытка не получила нужной поддержки: финансирование правительство зарубило наглухо, а промышленники не видели в проекте коммерческой перспективы. Собственных денег Бэббиджу бы тоже не хватило.

В 1850‑х годах Бэббидж фактически признал, что дальше вести работы в одиночку невозможно. В письме он прямо писал, что все разработки по аналитической машине он ведёт на собственные кровные, и рано или поздно личные ресурсы будут исчерпаны. Это было горькое признание: человек, который мечтал автоматизировать вычисления и избавить науку от ошибок, оказался банально ограничен деньгами и уровнем технологий эпохи.

Научные и прикладные интересы в зрелые годы

Даже отказавшись от надежды построить полноценную машину, Бэббидж не перестал быть изобретателем. В поздний период он активно занимался прикладными инженерными задачами:

Так, например, Бэббидж изучал работу локомотивов, предлагал улучшения конструкции и уделял особое внимание предотвращению аварий. Среди его изобретений — устройство, известное как «пилот» или «ловец коров» (cowcatcher): металлическая рама на передней части паровоза, которая должна была сбрасывать с путей любые препятствия, как-то: животных, брёвна, мусор. Будучи простым, но важным решением, короволов реально повышал безопасность движения на ж/д путях.

Америкаснкий паровоз “Джон Буль”, оснащенный короволовом, пробыл в строю 150 лет. Источник: Wikipedia.

А для создания своих вычислительных машин Бэббидж разрабатывал специальные станки и методы изготовления деталей. Он глубоко погрузился в вопросы металлообработки, придумывал новые способы заточки инструментов, литья под давлением, изготовления зубчатых колес. Многие из этих наработок имели, впоследствии, самостоятельное значение для промышленности.

Кстати, ещё в 1832 году Бэббидж опубликовал книгу «Экономика машин и производств», где развивал идеи разделения труда и рациональной организации производства. В поздние годы он продолжал анализировать промышленные процессы, собирал данные о работе предприятий и размышлял о том, как повысить эффективность труда с помощью технологий и чёткой структуры. Выходит, Бэббидж был пророком не только компьютеров но и еще и теории организации до Макса Вебера.

Борьба с уличной мафией

Бэббидж до белого каления ненавидел шум, мешавший ему работать. Ему то и дело приходилось бегать за полисменами, потому что его квартал буквально оккупировали шарманщики, банды пацанов с аккордеонами и полпенсовыми свистульками, фейковые шотландские волынщики и даже псевдо-эфиопы с там-тамами, в которые они колотили как сумасшедшие. Он подсчитал сколько времени тратит на это и ужаснулся: 25% в общей сумме!

Кошмар Бэббиджа во плоти. Источник: Organ Grinder Tom.

К 1860-м в Лондоне скопилось не меньше тысячи шарманщиков, которых Бэббидж сильно и люто обожал. Поскольку благодарные лондонцы не спешили “донатить” им, то шарманная мафия перешла на рельсы мягкого рэкета: они были “согласны” перестать играть, но только если им отстегнут копеечку другую. 

Поначалу Бэббидж покорно платил дань как и все, но однажды его терпение лопнуло и он развернул целую кампанию по борьбе со звуковой поллюцией. Это кстати, перевело конфликт в более горячую фазу: кто-то стал подбрасывать ему на порог дохлых котов, высаживал стекла в окнах и присылал анонимные письма с угрозами. А стоило изобретателю выйти за порог, как из ниоткуда появлялась толпа оборванцев, кричавшая ему вслед издевательства.

Вот этот закуток по адресу 1а Дорсет Стрит с особенным пристрастием терроризировали шарманщики. Источник: Tardis Wiki.

В полиции и лондонской администрации на него уже смотрели как на городского сумасшедшего, особенно после лавины жалоб в духе:

“Трудно оценить, сколь велики страдания, претерпеваемые несметным множеством умственных работников от утраты времени, истребляемого шарманщиками и иными сущими напастями.” 

Тем не менее его фрустрация резонировала с общими настроениями лондонцев, которые были по горло сыты выходками “музыкальной мафии” и в итоге его инициативу поддержал бывший премьер Роберт Пил, который еще будучи на посту отказал Бэббиджу в дальнейшем финансировании его изобретений. “Биль Бэббиджа” был официально утвержден парламентом и музыкальному рэкету пришел конец.

Но они все же отомстили. Когда Бэббидж умирал в 1871, мимо его дома на Дорсет Стрит растянулась огромной гусеницей толпа шарманщиков, которые пиликали одну и ту же песню весь день напролет, вплоть до глубокой ночи. А уже после смерти было установлено, что отец кибернетики страдал от особой патологии, при которой:

“Крупные артерии головного мозга были значительно изменены патологическим процессом, при этом сонные артерии представляли собой кальцинированные трубки.” 

Это привело к потере крошечных волосковых клеток, выстилающих внутреннее ухо. А с их потерей звук превращался в нервические импульсы, приносившие бедному мистеру Бэббиджу и вправду неподдельное страдания.

Поздние годы. Отношения с научным сообществом и репутация

В поздние годы репутация Бэббиджа была противоречивой. С одной стороны, его признавали крупным учёным и изобретателем, а с другой многие считали его упрямым и конфликтным человеком, который слишком долго держится за нереализуемые проекты. Его резкие высказывания, полемический стиль и постоянная критика существующих порядков создавали ему немало врагов. Зато он был честным в своей прямолинейности.

Бэббидж на закате дней. Источник: multiurok.ru.

Тем не менее он оставался заметной фигурой в научных кругах Лондона. Бэббидж регулярно посещал выставки и лекции, следил за техническими новинками, общался с инженерами и учёными. Его дом по субботам был местом встреч интеллектуалов: на вечерах у Бэббиджа бывали известные деятели науки и культуры, и эти собрания поддерживали его интеллектуальную активность до последних лет.

Одним из главных итогов позднего периода стала автобиография «Отрывки из жизни философа». В ней Бэббидж подвёл итоги своей жизни, рассказал о своих проектах, неудачах и взглядах на науку и общество. Книга получилась очень личной: в ней много горечи из‑за недостроенных машин, но и много гордости за проделанную работу и верность своим идеям.

Чарльз Бэббидж прожил долгую жизнь. Великого британца не стало 18 октября 1871 года в возрасте 79 лет. Причиной смерти стала почечная недостаточность, осложнённая циститом. Он был похоронен на кладбище Кенсал‑Грин.