27 мая 2024
В своей новой серии колонок на портале IQ.HSE редактор факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ Антон Басов рассказывает о захватывающей и малоизвестной истории вычислительной техники, а также о российских учёных и изобретателях, чей вклад в её развитие незаслуженно забыт. Во втором эпизоде вы узнаете о механических вычислительных машинах — от считающих часов, суммирующей машины Паскаля и до арифмометров, изобретенных тремя еврейскими мастерами из Варшавы. Все они были обласканы властями, однако жизнь каждого сложилась по-своему и не всегда удачно. А ни одна из их разработок не нашла широкого применения на практике.
Материал подготовлен к 10-летию ФКН НИУ ВШЭ.
К XVII веку в Европе закрепились два способа делать расчёты: при помощи абака (так называемый счёт жетонами и счёт на линиях) и при помощи записи вычислений на бумаге. Второй, более удобный способ, оказался весьма кстати, ведь потребность в вычислениях росла. Считать нужно было и банкирам, и счетоводам, и астрономам.
Одним из наиболее масштабных вычислительных проектов начала XVII века стали «Рудольфинские таблицы», составленные великим астрономом и математиком Иоганном Кеплером. Над этими таблицами движения небесных тел Кеплер работал с 1601 по 1623 год, а напечатаны они были спустя ещё четыре года. Весь проект занял 26 лет.
Неудивительно, что первое в истории механическое устройство для вычислений предложил ещё один математик и астроном — Вильгельм Шиккард. В 1623 году в письме к своему другу Кеплеру он описал изобретённые им «считающие часы», которые могли выполнять все четыре арифметических действия (сложение и вычитание напрямую, а умножение и деление — при помощи заранее составленных таблиц). К сожалению, единственный экземпляр этой машины был утерян, а учёный не стал заниматься её восстановлением.
Про «считающие часы» Шиккарда забыли, и до середины XX века изобретателем счетной машины называли великого учёного и философа Блеза Паскаля. В 1642 году он создал суммирующую машину, чтобы облегчить труд отца — крупного чиновника, которому приходилось делать много расчётов. Паскаль попытался наладить производство, но устройство не пользовалось спросом, поэтому было изготовлено всего несколько десятков экземпляров.
В 1674 году философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал первую машину, способную выполнять все четыре арифметические действия. Лейбниц изобрел валик с девятью зубцами разной длины, каждый из которых соответствовал числу от единицы до девятки. Механизм оказался очень удачным — повернув валик, можно было прибавлять, а путем многократного сложения — умножать. При вращении в противоположную сторону — вычитать и делить. Однако в то время прибор Лейбница не снискал популярности и был забыт, зато принцип зубчатого валика использовался в механических вычислительных машинах до конца XX века.
В XVII и в XVIII веках изобретатели предлагали множество оригинальных конструкций счётных машин. Часть из них осталась на бумаге, некоторые были построены в единственном экземпляре — как опытный образец или для нужд конкретного человека. Например, священник и механик Филипп Матеус Ган, конструируя сложные астрономические часы, был вынужден выполнять много расчётов — и создал несколько очень совершенных вычислительных машин.
Почему же до XIX века никто не смог наладить массовое производство ни одного из этих механических компьютеров? Уровень технологий того времени не позволял добиться необходимой точности. Каждая счётная машина была уникальным и очень дорогим произведением мастера-ремесленника. Такие устройства не вызывали интереса, поэтому любое производство столкнулось бы с отсутствием рынка сбыта.
Только после 1850 года французский предприниматель Шарль-Ксавье Тома де Кольмар начинает массовое производство изобретенных им ещё в 1820 году арифмометров. Сердцем этих машин был ступенчатый валик как у Лейбница. Арифмометр Тома отличался невиданным в то время быстродействием: два восьмизначных числа он перемножал за 16 секунд. Эти машины выпускались до начала XX века (одна из них даже была подарена Ленину), а само слово «арифмометр» стало обозначать любую механическую машину, выполняющую все арифметические операции.
На территории Российской империи первые счётные машины появились в начале XIX века (правда, есть легенда, что Лейбниц хотел подарить или даже подарил одну из своих машин Петру Великому). После разделов Речи Посполитой и создания в 1815 году Царства Польского российскими подданными стали многочисленные польские евреи, в том числе инженеры, учёные, изобретатели.
Авраам Яков Штерн (между 1762 и 1769–1842) был часовщиком в городке Хрубешув. Его увлечение математикой и механикой привлекло внимание крупного деятеля польского Просвещения Станислава Сташица. При его поддержке Штерн перебрался в Варшаву, где изучал физику, астрономию и языки. В 1811 году на заседании Варшавского общества друзей науки он представил свое первое изобретение — «топографическую повозку», которая автоматически регистрировала рельеф местности и измеряла её площадь.
Примерно в 1810 году Штерн начинает, а в 1812 году заканчивает работу над счётной машиной для выполнения четырёх действий арифметики. За ней в 1817 году следует машина для извлечения квадратных корней, а в 1818 году Штерн объединяет их в одну вычислительную машину.
Ни сами устройства, ни чертежи Штерна не дошли до нашего времени. Мы располагаем лишь небольшим описанием последней машины. Согласно ему, самая совершенная вычислительная машина Штерна могла совершать действия с семизначными числами, а результат вычислений мог иметь до 13 знаков.
Машина состояла из неподвижной части и движущейся каретки (так же была устроена и машина Лейбница). Она сообщала звонком об окончании вычисления, а также имела специальное устройство для проверки правильности работы. Внутреннее устройство Штерн не описал, ограничившись упоминанием многочисленных зубчатых колес и пружин.
Вычислительные машины Штерна вызвали интерес высокопоставленных лиц. Штерн трижды показывал их Варшавскому обществу друзей науки, которое приняло его в свои члены. Дважды он демонстрировал машины императору Александру I, который назначил Штерну пенсию.
После этого судьба Штерна складывалась удачно — он изобрёл несколько сельскохозяйственных машин, написал книгу о медицине и спроектировал цепной мост через Вислу. Он был дружен со многими государственными мужами и занимал несколько административных должностей — переводчика, цензора, преподавателя (в том числе, в мусульманской школе).
В 1836 году Штерн знакомится с Хаимом Зелигом Слонимским (1810–1904), также известным под русифицированным именем Зиновий Яковлевич. Слонимский родился в Белостоке, где его отец служил раввином (род Слонимских происходит из местечка Слоним, а среди его представителей — известные раввины, писатели, врачи). Как и Штерн за полвека до того, Слонимский с детства проявлял интерес к наукам, самостоятельно изучал математику и астрономию.
К 24 годам Слонимский написал один из первых учебников по математике на иврите (издать удалось только первую часть), а затем несколько книг по астрономии. Бедность и семейные неурядицы не давали ему заниматься научной деятельностью, пока в 1838 году Штерн не пригласил его в Варшаву. В 1842 году, незадолго до своей смерти, Штерн благословляет Слонимского на брак со своей дочерью Сарой.
Уже в 1839 году Слонимский конструирует простую машину для сложения и вычитания, а также занимается доказательством теоремы, связанной со свойствами рядов Фарея. Доказав теорему (получившую его имя), Слонимский с её помощью создает устройство, позволяющее умножить любое число на все числа от двух до девяти.
В 1841 году он показывает обе машины в Кёнигсбергском университете, а в 1844 году — в Прусской академии наук. Выдающиеся учёные во главе с патриархом немецкой науки Александром фон Гумбольдтом высоко оценивают машины Слонимского; он встречается с прусским королем и получает от него денежную премию.
Наконец, в 1845 году Слонимский отправляется в Санкт-Петербург. Здесь он предъявляет рекомендательные письма из Пруссии, благодаря которым находит тёплый приём. По приглашению министра и президента академии наук Сергея Уварова Слонимский демонстрирует академикам свои машины и излагает теорему (в Пруссии он не раскрыл математической подоплеки своего устройства).
Академики Буняковский и Фусс пишут хвалебный отзыв о машинах. После чего награды посыпались на изобретателя как из рога изобилия. Он получает Демидовскую премию (высшая российская научная награда того времени) второй степени — 2 500 рублей, огромные в то время деньги, и привилегию (патент) на свою машину, а также издаёт брошюру с её описанием.
Уваров представляет Слонимского императору Николаю I, который дарует математику звание «почётного гражданина». После этого Слонимский может жить в любом городе Российской империи, а не только в пределах еврейской черты оседлости. Вдобавок к российским наградам, Слонимский продаёт английский патент на слегка усовершенствованную суммирующую машину за 400 фунтов, также большую сумму.
За десять лет полунищий бухгалтер становится международно признанным учёным и состоятельным человеком. Слонимский переезжает в город Томашув и покупает фруктовый сад. Здесь он продолжит изобретать: предложит новую конструкцию паровой машины и квадруплексный телеграф для одновременной передачи и приёма четырёх телеграмм.
После этого он проживёт ещё больше полувека, будет, как и его тесть Авраам Штерн, преподавателем и цензором, начнёт вместе с женой издавать первую научно-популярную газету на иврите (а жена к тому же станет поэтессой). Но к вычислительной технике Хаим Слонимский больше не вернётся.
В том же 1845 году, когда в Санкт-Петербурге Слонимский показывает свои устройства, в Варшаве проходит всероссийская промышленная выставка. Здесь свои вычислительные машины демонстрирует часовщик Израиль Авраам Штаффель (1814–1885). Судьба Штаффеля как бы зеркально отражает судьбы Штерна и Слонимского — его арифмометр прославился на весь мир, но это не принесло ему ни славы, ни богатства.
Уже в 19 лет Штаффель, сын бедных родителей, открыл в Варшаве часовую мастерскую. Как и наши предыдущие герои, он всю жизнь изобретал — анемометры, печатные станки, вентиляторы и таксометры. Примерно с 1835 года Штаффель занимался конструированием вычислительных машин. Первую свою машину для сложения и вычитания он создал к 1842 году (сейчас её реконструкция хранится в варшавском Музее техники).
Главным изобретением Штаффеля следует считать арифмометр, способный выполнять все четыре арифметические действия и извлекать корни. До недавнего времени мы располагали лишь описанием внешнего вида машины Штаффеля, а её внутреннее устройство оставалось загадкой. Однако несколько лет назад историки Тимо Лейпала, Валерий Шилов и Сергей Силантьев обнаружили и опубликовали считавшуюся утраченной рукопись, в которой изобретатель описывал и изображал свою машину.
Арифмометр Штаффеля представлял собой важный шаг в истории вычислительной техники — это была первая счётная машина, использующая принцип зубчатого колеса с переменным числом зубцов. Подобный механизм, как и ступенчатый валик Лейбница, позволял легко умножать и делить за счёт многократного повторения, соответственно, сложения и вычитания.
Любопытно, что идея колеса с переменным числом зубцов принадлежит всё тому же Лейбницу. Он впервые описал такое колесо в рукописи начала 1670-х годов, ещё до создания арифмометра со ступенчатым валиком. Однако идея осталась на бумаге. В XVIII и XIX веках многие изобретатели — Полени, Браун, Стенхоуп, Рот — заново придумывали счётные машины на этом принципе, но дальше несовершенных опытных образцов дело не пошло.
На варшавской выставке 1845 года арифмометр Штаффеля получил лестный отзыв комиссии и серебряную медаль. Изобретатель, не отличавшийся богатством, получил от польского наместника князя Паскевича вспомоществование и в 1846 году отправился в Санкт-Петербург. Здесь его машина удостоилась положительного отзыва академиков, которым Штаффель также показал своё третье вычислительное устройство — для сложения и вычитания дробей с основаниями 10, 12 и 15 (принцип действия нам неизвестен). За создание арифмометра Николай I наградил изобретателя премией в 1 500 рублей, а журнал «Иллюстрация» утверждал, что ему наконец удалось создать вычислительную машину, к которой стремился ещё Паскаль.
Но главный триумф машины Штаффеля случился на первой Всемирной выставке 1851 года в Лондоне. Здесь были собраны все достижения человечества в области наук, искусств и промышленности. Российская империя выставляла великолепные образцы сырья и товаров: металлическое литье, ткани, уральские самоцветы (публику особенно поражали огромные двери, облицованные малахитом). Обозреватель газеты Illustrated London News не без удивления заметил на фоне всей этой роскоши «произведение большого ума, предназначенное к облегчению некоторых мыслительных операций».
Не будет преувеличением сказать, что арифмометр и его создатель приобрели всемирную известность. О нем писали газеты и журналы (в том числе недавно появившийся Scientific American), машиной интересовались не только простые посетители выставки, но и, например, директор Банка Англии.
Триумфом стало и посещение выставки королевской семьей во главе с королевой Викторией и принцем Альбертом. Штаффель продемонстрировал посетителям действие своей машины, а через несколько дней получил от принца Альберта премию в 20 фунтов (а ещё 10 фунтов заплатил барон Лайонел Ротшильд). По итогам выставки Штаффель получил Prize Medal — награду второй степени (тогда же эту медаль получил Тома де Кольмар за свой арифмометр).
Однако всё это признание не улучшило жизнь Штаффеля. Он по-прежнему владел небольшой часовой мастерской (с двумя работниками и годовым оборотом до 3 000 рублей, как указано в описании Всероссийской художественно-промышленной выставки 1882 года) и занимался изобретательством. В 1858 году в Варшаве он показывает свою последнюю счётную машину — карманный прибор для сложения и вычитания; под названием «механических счётов» он и будет фигурировать на выставке 1882 года. В 1876 году Штаффель передал свой арифмометр в Физический кабинет академии наук, из которого, по всей видимости, он был утрачен после 1917 года.
Остается невыясненной связь между работами Штаффеля и его предшественников. Есть сведения о том, что он даже был родственником Штерна. Учитывая, что Штерн был важной фигурой варшавского общества, Штаффель наверняка знал о нём и его работах. Кроме того, они оба были часовщиками.
Интересно отметить сходство между машинами Штерна и Штаффеля: обе могли оперировать семизначными числами и результатом из 13 цифр, обе выполняли все четыре действия арифметики и извлекали корни, обе даже имели звонок для оповещения оператора. Увы, сравнить их мы не можем — внутреннее устройство машины Штерна сегодня неизвестно.
В санкт-петербургской Кунсткамере хранится суммирующая машина, сделанная, как гласит надпись на корпусе, «Евной Якобсоном, часовщиком и механиком в городе Несвиже в Литве, Минское воеводство». Она была, по всей видимости, сделана около 1770 года, что делает её самой старой счётной машиной, находящейся в российских музеях.
Впрочем, считать Евну Якобсона российским изобретателем нельзя — машину он изготовил, когда Несвиж всё ещё входил в Речь Посполитую; в Кунсткамеру же машина попала после очередного раздела Польши. Сведений о самом изобретателе у нас почти нет.
Машина Якобсона
Его машина устроена, вероятно, совершенно независимо от предыдущих разработок — это подтверждает оригинальность механизма, использующего не только зубчатые колеса, но и полудиски для ввода чисел. Сложение легко повторялось — это делало машину пригодной для умножения, а особый механизм определял частное, что помогало при делении.
Изобретательская деятельность трёх наших героев охватила две трети XIX столетия. Созданные ими счётные машины удостоились высокой оценки от учёных и государственных деятелей. Они были широко известны образованной публике во всех цивилизованных странах. Почему же ни одно из этих устройств не нашло практического применения?
Ситуация Штерна, Слонимского и Штаффеля не уникальна. В это время по всей Европе (а со второй половины века и в Америке) многие изобретатели конструируют вычислительные устройства от простейших сумматоров до механических компьютеров Чарльза Бэббиджа. Ни одно из них не получает распространения; исключением является лишь арифмометр Тома де Кольмара.
История жизни Тома подсказывает нам ответ. Он изобрёл свой арифмометр ещё в 1820 году, а первые серийные экземпляры датируются 1851 годом. В промежутке Тома постоянно делал небольшие, но важные шаги: привлекал инженеров для усовершенствования механизма, регулярно участвовал в выставках, занимался тем, что мы сегодня называем маркетингом — он подарил свои арифмометры многим европейским монархам, французской Академии наук, Парижской обсерватории. Кроме того, он накапливал капитал — ему принадлежала успешная страховая компания.
За период с 1850 по 1920 год, несмотря на все усилия, было выпущено около пяти тысяч арифмометров Тома де Кольмара. Историк Владимир фон Бооль отмечал: «Один только укор можно сделать этому прибору: высокая его цена» и тут же указывал её — от 150 до 400 франков, не считая доставки (при том, что арифмометр весил больше десяти килограмм).
Даже европейские условия того времени требовали изрядных усилий для запуска производства вычислительной техники. Что уж говорить о бедных евреях, которые в Российской империи были париями? Но после 1861 года в России начал развиваться капитализм — и уже к концу века российские арифмометры будут считаться одними из лучших в мире.
IQ
