Механизация

Юрий Ревич

Крупных недостатков у суммирующих машин Паскаля, Шиккарда, Перро и других изобретателей было два - теоретический и технический. Теоретический недостаток связан с тем, что на машинах было крайне сложно выполнять умножение, не говоря уж о делении - сдвиг частных сумм приходилось осуществлять вручную. Техническая проблема состояла в следующем - если при суммировании происходит увеличение разрядности слагаемого, то приходится прикладывать определенные усилия, чтобы провернуть сразу все колеса - например, выполняя действие 19999+3, при первом же повороте колеса единиц все разряды первого слагаемого меняются сразу, и приходится проворачивать одновременно пять колес, а при втором повороте сопротивление сразу падает ¹. Если учесть технологический уровень того времени, то ясно, что механизм довольно быстро разбалтывался, появлялись люфты и качество работы становилось неудовлетворительным.

Великий математик и философ Готфрид Лейбниц имел несчастье родиться в Германии (в Лейпциге) в конце Тридцатилетней войны, в 1646 году. Опустошенная войной Германия (ее население уменьшилось с 16 миллионов до 6) была тогда глухой провинцией в научном отношении. Тем не менее, Лейбниц всю жизнь оставался на родине (за исключением нескольких лет пребывания с дипломатической миссией в Париже) - после получения образования в университетах Лейпцига и Вены он поступил на государственную службу (сначала в Майнце, затем в Ганновере) и оставался на ней до самой смерти. Подобно многим другим нашим персонажам, он был универсалом - чем только он не занимался! Дипломат и историк, политик и архивист, он работал над вопросами народного просвещения, церковной реформы, горного дела и чеканки монет… Он оставил след в геологии и биологии (где одним из первых высказал идею об эволюции), лингвистике, психологии, интересовался медициной и химией, изобретал различные механические приспособления… Но в первую очередь он был выдающимся математиком, физиком и философом. Про его вклад в создание дифференциального исчисления знают все, но не все знают, что он был автором множества терминов, которые прочно вошли в научный обиход: функция, дифференциал, дифференциальное исчисление, дифференциальное уравнение, алгоритм, абсцисса, ордината, координата. Он первый ввел знаки дифференциала и интеграла. Нарушил вековую традицию писать трактаты только по латыни. В своих философских трудах теоретически обосновывал индивидуализм как основу построения общества, и может считаться одним из первых идеологов капитализма и рыночных отношений.

Лейбниц всю жизнь искал некий универсальный язык, lingua generalis, с помощью которого можно было бы вывести единый для всех наук метод познания мира. По его мысли, с помощью такого языка можно было бы заменить логические рассуждения вычислениями, производимыми над словами-символами. Для этого нужны были сущие пустяки - символы должны однозначно отражать понятия. Это сейчас мы понимаем всю наивность представлений Лейбница - мир на много и много порядков сложнее, чем представлял себе Лейбниц, невозможно не только однозначно отразить некое понятие в языковом символе, но и сами явления окружающего мира не подчиняются простой двоичной логике. Но красивая и глубокая идея, тем не менее, нашла применение: Лейбниц, сам того не зная, изобрел символическую логику, которая затем получила развитие в работах Буля, Пирса, Моргана - и легла в основание кибернетики, а вместе с ней и теории цифровых автоматов - проще говоря, компьютеров. Н. Винер выдвигал Лейбница на должность святого - покровителя кибернетики.

Работа Лейбница над счетной машиной хорошо укладывалась в эту генеральную линию его исследований. Начал ее он в двадцатичетырехлетнем возрасте и через три года, в 1673, уже демонстрировал на заседании лондонского Королевского общества (английской Академии наук) действующий экземпляр. Но этот вариант был несовершенен, по признанию самого изобретателя, и он работал над машиной еще 20 лет - окончательно конструкция была готова только к 1694 году.

Сначала Лейбниц пытался улучшить машину Паскаля, но понял бесперспективность этой затеи. Дело в том, что Лейбниц задумал построить настоящий арифмометр, выполняющий все четыре арифметических действия, а не просто суммирующую машину. Потому он предложил совершенно новый принцип «ступенчатого валика». Этот принцип оказался настолько плодотворным, что сохранился в конструкциях арифмометров аж до наступления эпохи электронных компьютеров: например, завод «Счетмаш» в СССР уже в послевоенные времена выпускал арифмометры ВММ-2, построенные именно по этому принципу. Последние варианты конструкции арифмометра Лейбница (он занимался им до 1710 года) умели даже возводить в степень и извлекать корни.

Интересно, что один из первых экземпляров Лейбниц собирался подарить (а по другим источникам - и подарил) Петру I, который как раз в то время осуществлял свой знаменитый зарубежный вояж. Они подружились, впоследствии долго переписывались - Петр обсуждал с ним проект петербургской Академии наук и реформы образования в России.

Заимствовал принцип Лейбница и Карл Томас из Эльзаса, создавший в 1820 году первую в истории модель арифмометра, которая выпускалась серийно и впоследствии послужила основой для конструкций почти всех промышленных арифмометров. Тем не менее, сама по себе машина Лейбница не получила распространения - во-первых, она была довольно дорога, во-вторых, не свободна от технологического недостатка, связанного с переменным сопротивлением колес.

Во все времена деятельность большинства ученых зависела от поддержки властьимущих и благотворительности богатых. В XVII-XVIII веках, однако, в эпоху универсалов-одиночек, когда наука еще не стала занятием для больших коллективов, встречались и материально независимые ученые, в основном из среды аристократов, обладавшие собственными средствами. (Типичным примером может служить известный физик Генри Кавендиш, интереснейшая личность, чудак и затворник, даже жаль, что рассказ о нем выходит за рамки нашего повествования.) А к истории вычислительной техники имеет отношение другой чудак - Чарльз, третий граф Стэнхоуп (1753-1816), пэр Англии.

Отец его, Филипп, был тоже оригиналом, посвятившим себя точным наукам. Он одевался, как простолюдин, и Чарльза тоже воспитал в демократическом духе. В отличие от отца, в политику особенно не вмешивавшегося, Чарльз, кроме отцовской любви к ученым занятиям, унаследовал от деда (бывшего в свое время премьер-министром Англии) и страсть к политической деятельности. В девятнадцать лет, в 1774 году, он избирается членом Королевского общества за работу о колебаниях маятника. Рано, в двадцать один год, он женится на Хестер Питт - сестре будущего премьер-министра Уильяма Питта. Вплоть до самой французской революции он, будучи членом палаты представителей (а после смерти отца - и палаты лордов), энергично поддерживал своего шурина. Но с самого начала их взаимоотношений кое-какие расхождения уже намечались. Выступления Стэнхоупа имели ярко выраженную демократическую направленность - он выступал против войны за сохранение власти над Американскими колониями, против работорговли, предлагал демократическую реформу выборного законодательства, парламентские реформы и прочее в этом духе. Окончательно он разругался с Питтом в 1789 - Стэнхоуп с восторгом принял Французскую революцию, организовывал различные «общества поддержки», а у себя в имении приказал выкинуть фамильный герб. Над ним издевались как могли - и словесно, в прессе и парламенте, и физически - несколько раз избивали и поджигали лондонский дом. Его оставили даже собственные дети. В 1795 Чарльз был вынужден временно покинуть парламент, но не сдался - уже в 1800 он выступал за мир с Наполеоном.

В научном плане Стэнхоуп был, в духе времени, почти таким же энциклопедистом, как и деятели, о которых мы рассказывали выше. Он изобрел способы получения стереотипных копий, изготовления линз для микроскопа, защиты деревянных строений от пожаров, рецептуру строительного раствора, кроме этого - ручной печатный пресс, особую конструкцию шлюзов и одну из первых автоматических машин, названную «администратор Стэнхоупа», для решения логических задач. Он сотрудничал с Бенджамином Франклином по части улучшения конструкции громоотвода и написал трактат «Принципы электричества». Самым интересным его изобретением был пароход, который он придумал совершенно независимо от американца Фултона, получил на него патент и даже на собственные деньги построил действующий экземпляр водоизмещением 200 тонн. Однако не было в те времена в мире ничего более консервативного, чем английские государственные инстанции - идея Стэнхоупа была отклонена как «бесперспективная для флота Его Величества», и Фултон остался первым.

В отличие от Паскаля, Лейбница и других изобретателей, которые иногда десятилетиями доводили до ума раз изобретенную конструкцию, Стэнхоуп построил, по меньшей мере, три разных конструкции счетных машин. Одна из них была только суммирующей, как у Паскаля, две других были настоящими арифмометрами, умевшими умножать и делить. Главным достижением нашего героя было разделение десятичного переноса на два этапа - на первом специальная звездочка, располагающаяся на отдельном валу переносов, входила в зацепление с колесом старшего разряда, но не поворачивала его. На втором нужно было двигать раму - при этом все вошедшие в зацепление звездочки особым механизмом поворачивали колеса, причем не одновременно, а последовательно, друг за другом. Так достигалась равномерность прилагаемого усилия в продолжение цикла работы и, следовательно, снималась технологическая проблема «накопления сопротивления». Такое разделение, несмотря на его относительную сложность, стало впоследствии общепринятым.

Все вышеперечисленные конструкции именитых ученых и изобретателей страдали общими недостатками - были дорогими, довольно медленными и требовали определенного уровня знаний и тренировки при использовании. Уже в конце XIX века в самом рационально устроенном обществе тех времен - в США - появилось несколько конструкций арифмометров, изначально предназначенных для массового использования. Самые интересные из них - модели Юджина Фельта и Уильяма Бэрроуза (не путать последнего с его тезкой - писателем и идеологом битников, жившим уже в XX веке), ставшего затем основателем корпорации-изготовителя печатающих и счетных машин. Фельту одному из первых пришла идея многоразрядной суммирующей машины, ввод чисел в которую осуществлялся бы не поворотом колес, а клавишами, подобно тому, как это делается на печатной машинке. В 1884 году 24-летний Юджин Фельт обошел окрестных бакалейщиков и, в конце концов, собрал прототип такой машины из всякого подручного материала - корпус был ящиком от макарон, пружинами служили эластичные ленты, в качестве клавиш он использовал шампуры. Убедившись в принципиальной работоспособности конструкции, он два года доводил ее до ума и сумел изготовить 8 работающих экземпляров, которые демонстрировал многим, в том числе и американскому правительству. Судя по тому, что Фельт организовал компанию по производству клавишных суммирующих машин, он имел даже некоторый коммерческий успех. Но у машины Фельта был один кардинальный недостаток - невозможность проконтролировать правильность ввода.

Уильям Бэрроуз начал работать над своей конструкцией одновременно с Фельтом. Его жизнь - типичное воплощение «американской мечты»: будучи из бедной семьи и рано заболев туберкулезом, он, тем не менее, упорно добивался своего и в конце своей недолгой жизни разбогател. Поначалу его судьба складывалась несладко. Типичный сумасшедший изобретатель - клянчил деньги на постройку очередного экземпляра, потом оказывалось, что денег не хватает, а экземпляр работает плохо, он находил новых инвесторов, ссорился с ними и, в отличие от многих других подобных бедолаг, каких было множество в истории, смог добиться своего. Уже в 1886 году конструкция заработала, а Бэрроуз с тремя компаньонами основал фирму по производству арифмометров - одну из первых в мире - и стал состоятельным бизнесменом.

Машина Бэрроуза была двухтактной - на первом этапе число устанавливалось нажатием клавиш, на втором - переносилось на счетчик поворотом рычага. При этом клавиши оставались опущенными, и можно было проконтролировать правильность ввода и даже исправить ошибку, если что. Одной из главных особенностей машины Бэрроуза была возможность печати как исходных данных, так и результатов - позднейшие модификации позволяли выполнять операции «Печатание без сложения», «Сложение без печати», «Печатание списков и таблиц». С 50-х годов XX века рычаг был заменен электромеханическим приводом, а еще позднее в них стали использовать электронику.