Как воображение и детская игрушка помогли создать ранний компьютер
"Твой дядя Артур построил первый компьютер"
Эта удивительная информация осела у меня в голове примерно с 8 лет. В то время, в конце 1960-х, для того чтобы разместить компьютер, способный выполнять хоть что-то полезное, требовалась комната с климат-контролем размером с небольшой склад с усиленным бетонным полом. Компьютеры не доставлялись курьером с Amazon, их транспортировали на больших грузовиках, а компоненты поднимали краном для сборки на месте. "Мини-компьютер" был размером с два огромных американских холодильника, скреплённых вместе.
Чтобы купить одну из этих загадочных жужжащих, щёлкающих и мигающих машин, нужно было быть банком, крупной транснациональной корпорацией или Министерством обороны. Управление таким компьютером требовало целого отряда инженеров с мозгами размером, ну, с компьютеры.
"И он сделал его из конструктора Meccano"
Эта вторая, возможно, ещё более поразительная информация последовала сразу же за первой, когда мой отец, пыхтя трубкой, медленно наполнял один конец нашей гостиной успокаивающим сине-серым дымом табака Players Whiskey Flake.
"Он сделал это в Манчестерском университете, когда был студентом".
Дядя Артур жил в Канаде, и его визиты в Англию, когда я был ребёнком, всегда казались особенными. Он был жизнерадостным, энергичным и, очевидно, очень умным человеком в свои 50 лет. Я обожал с ним разговаривать.
Он был кладезем знаний и информации, с интересами, которые простирались далеко за рамки компьютеров и электротехники. Его близким другом был астроном Королевы, сэр Бернард Ловелл — в студенческие годы они жили вместе в Манчестерском университете. Он написал книгу "Кибернетика для всех", опубликованную в 1969 году, с предисловием, написанным другим другом и коллегой из Торонтского университета, Маршаллом Маклюэном.
Она стоит на моей книжной полке, простая красно-белая книга в мягкой обложке, и, несмотря на своё название, она практически непостижима для любого, чьи знания не превышают уровень прилежного студента прикладной физики. Но она написана в стиле, который отражает энергию и энтузиазм автора, с использованием реальных примеров и метафор для того, чтобы сделать сложные идеи более доступными для неспециалистов. Предисловие Маклюэна к книге пронизано предвидением:
"Мгновенный доступ к информации и её восстановление создают совершенно новые экономические и политические ситуации. Новая информационная среда, созданная новыми электрическими технологиями, абсолютно незаметна и может быть обнаружена только с помощью специальных исследований изменений тенденций и человеческих реакций на новую среду...
Мы должны серьёзно задуматься о влиянии новой спутниковой среды вокруг планеты, так как она изменяет наше представление о Природе. 'Природа' теперь, можно сказать, является содержанием, встроенным в искусственную среду...
Появилась необходимость поставить изобретение на систематическую основу, чтобы мы могли изобретать то, что нам нужно изобретать. Но более важно предвидеть последствия этих изобретений...
Книга профессора Портера будет чрезвычайно полезна для понимания необходимости объединения науки и технологий с политикой и искусством."
(отрывок из предисловия к книге "Кибернетика для всех", Маршалл Маклюэн, 1969)
Вау.
На протяжении всей своей долгой жизни Артур был острым и оригинальным мыслителем, открытым для новых идей. Итак, что насчёт компьютера из конструктора Meccano?
В 1933 году Артур был студентом третьего курса физического факультета Манчестерского университета. С 1930 года он изучал квантовую теорию, и это было его предпочтение для магистерской программы.
Собственными словами Артура, записанными в 2008 году, когда ему было 97 лет, вот что произошло дальше:
"Мне очень повезло, и здесь сработала своего рода теория хаоса, поскольку маленькое, совсем крошечное событие породило всё остальное, что случилось. Это крошечное событие редко происходило в прошлом, если вообще когда-либо происходило. В то утро я зашёл в библиотеку, открыл книгу совершенно случайно, это был журнал Кембриджского литературного и философского общества, совершенно случайно, и увидел статью о том, как гальванометр с подвижной катушкой используется для решения дифференциального уравнения второго порядка.
Я просто увидел это, и это было написано учёным И. С. Буллардом, я хорошо запомнил его имя, потому что позже я довольно хорошо с ним познакомился. И я просто подумал, что это интересно, и положил книгу обратно.
Позже, когда меня интервьюировал Брентано (заведующий кафедрой физики) спустя четыре-пять часов, он спросил: 'Чем ты интересуешься?' Я ответил: 'Квантовой теорией.' 'Ну,' — сказал он, — 'мы здесь не будем заниматься проблемами, связанными с катодными лучами или рассеянием катодных частиц, электронных пучков и тому подобного, так чем же ещё ты интересуешься?' Я сказал: 'Математическими инструментами, знаете, для решения задач.' 'О,' — сказал он, — 'интересно, сегодня за обедом я разговаривал с профессором Хартри, и он только что вернулся из США, из MIT, и сказал мне: "Есть ли студент на последнем курсе физики, который интересуется вычислительными машинами или инструментами?" Так что, Портер, тебе лучше пойти к Хартри прямо сейчас.'"
(отрывок из интервью Тима Робинсона "Устная история Артура Портера", Музей истории компьютеров; Computerhistory.org)
В MIT Хартри, который занимал Манчестерскую кафедру прикладной математики, увидел "дифференциальный анализатор", созданный для решения уравнений и потенциально всевозможных инженерных задач с использованием физических симуляций. Он увидел потенциал этой машины и хотел построить уменьшенную версию в Манчестере, чтобы доказать, на что она способна.
Для этого ему нужен был ассистент, но бюджета не было. Машина MIT, заказанная и разработанная Ванниваром Бушем, будущим старшим научным советником армии США во время Второй мировой войны, стоила тысячи долларов. Хартри, 37-летний отец троих детей, увлечённый моделями железных дорог и строительными игрушками, заметил, что большинство компонентов машины можно потенциально воссоздать, используя детский конструктор Meccano.
Когда Артур выпустился, если бы он был заинтересован в проекте, он мог бы остаться работать над ним?
Артур был не только интуитивным решателем проблем, но и фанатом Meccano с детства. Вооружённые большим набором Meccano, знаниями Хартри о американской машине и наивным оптимизмом молодого выпускника, они вдвоём взялись за создание собственной версии машины.
Если бы им удалось успешно построить дифференциальный анализатор, это могло бы начать процесс решения сложных задач через автоматизацию.
Информация вводится в систему, колёса крутятся, шестерни зацепляются, валы движутся с переменной скоростью через серию интеграторов, и решения появляются в виде автоматически нанесённых графиков. Результаты наблюдаются и интерпретируются для решения задач в областях физики, инженерии и астрономии.
Это были не простые арифметические задачи, а более сложные проблемы атомной структуры, такие как уравнения поля для атомов водорода и хрома. Проблемы, которые занимали бы много часов для ручного решения, могли быть решены точно за несколько минут.
Способности Артура к работе с Meccano были таковы, что почти вся машина была построена из игрушечных компонентов и смонтирована на фанерных досках. За исключением усилителей крутящего момента, всё было сделано из Meccano. Процесс шёл удивительно гладко, но возникла одна проблема. Интеграторы машины нуждались в опорных кронштейнах, а готового решения не существовало. Поэтому Артур обратился к своему дяде Чарли, который был мастером в инструментальном цехе Vickers-Armstrongs, верфи в Барроу-ин-Фёрнесс. Чарли взял на себя задачу и отлил шесть опорных кронштейнов из бронзы.
Все элементы машины были оплачены лично профессором Хартри. Благодаря нестандартному мышлению и способности импровизировать с детской строительной игрушкой был построен и введён в эксплуатацию первый в Европе практический компьютер за £20.
В апреле 1934 года, всего через 7 месяцев после начала работы, машина была собрана и готова к использованию. Артур описал первые результаты как: "серия графиков, которые для меня были несравненной красоты — волновая функция атома — сначала водорода, а затем через несколько недель хрома".
Графики, вместе с магистерской диссертацией Артура, теперь хранятся в Научном музее в Кенсингтоне. Это был первый аналоговый компьютер для решения дифференциальных уравнений за пределами США. Простота его конструкции означала, что он вскоре был скопирован в Кембриджском университете.
Компьютер Meccano привлёк внимание многих учёных, заинтересованных возможностями, которые открыла небольшая "вычислительная машина", стоившая практически ничего. Во время одного визита машиной управлял лорд Резерфорд, отец ядерной физики, который улыбался, когда вводил данные, чтобы интеграторы работали своим удивительным механическим волшебством. (ссылка на книгу Артура Портера: "So Many Hills to Climb", опубликована в 2004 году)
Ещё четыре лауреата Нобелевской премии, после Резерфорда, пришли посмотреть на машину Хартри и Портера в безымянных помещениях её лаборатории в подвале в Манчестере. Интерес СМИ распространился и на журнал Meccano, который опубликовал статью на 3 страницы с заметным заголовком:
Вот отрывок:
"Эта машина (Дифференциальный анализатор) способна на нечто, что приближается к реальному "мышлению" в соответствии с замыслом её создателя. Мыслящие машины играют важную роль в фантастических историях будущего, и писатели даже представляли устройства, которые могли бы интерпретировать мысли своих операторов и передавать их существам другого типа в форме, понятной для них. Многие из самых странных вещей, описанных в фантастике, уже стали реальностью, и было бы неразумно предсказывать невозможность создания машин, способных на процессы, эквивалентные механическому типу мышления. Истинно творческое мышление, конечно, всегда останется за пределами возможностей любой машины." (журнал Meccano, июнь 1934)
После успешных первоначальных испытаний, один интегратор машины Meccano был обновлён до трёх, а затем до четырёх под руководством Артура в рамках его PhD. Это была уменьшенная версия машины Буша, у которой было шесть интеграторов. Но ограничения, наложенные на её конструкцию, делали её работу и почти чудесные возможности ещё более захватывающими.
Через два года Манчестерский университет построил собственную 8-интеграторную машину стоимостью £6,000, произведённую Vickers-Armstrongs. Артур отправился в США, чтобы работать над следующим проектом команды Буша — дифференциальным анализатором Рокфеллера, 30-тонным гигантом с 16 интеграторами, более чем 2000 вакуумных трубок, 100 электродвигателями и небольшим встроенным телефонным узлом. Он сочетал в себе как аналоговые, так и ранние цифровые технологии. Эта машина, разработанная за два года за $230,500, была названа "самым важным компьютером в США к концу войны". Она, вероятно, была и самой шумной.
Вычисления, выполненные дифференциальными анализаторами, дали союзникам технологическое преимущество и внесли решающий вклад в военные усилия. До появления транзисторов в конце 1940-х годов они были гораздо более надёжными, чем их цифровые эквиваленты. Они помогли привести мир к цифровой эре, а учёные, участвовавшие в начале этого процесса, стали основоположниками современной вычислительной техники.
Хартри и Портер были двумя из них. Машина, которую Артур построил из Meccano в подвале с кирпичными стенами где-то недалеко от Оксфорд-Роуд в центре Манчестера, может быть, и не была первой, но за £20 это определённо был самый доступный компьютер в мире.
После того, как он внёс неоценимый научный вклад в военные усилия, Хартри стал пионером цифровых вычислений. Вот что он сказал о компьютере ACE, спроектированном Аланом Тьюрингом:
"Последствия этой машины настолько огромны, что мы не можем себе представить, как они повлияют на нашу цивилизацию. У вас есть нечто, что делает одну область человеческой деятельности в 1,000 раз быстрее. В области транспорта это было бы эквивалентно способности путешествовать из Лондона в Кембридж... за пять секунд как обычное дело. Это почти невообразимо."
Хартри был провидцем и понимал практически безграничный потенциал "вычислительных машин" задолго до большинства своих коллег, но в одном его предсказания были не столь проницательны. В 1950 году он сказал:
"У нас есть компьютер здесь, в Кембридже, один в Манчестере и один в Национальной физической лаборатории. Я полагаю, в Шотландии тоже должен быть один, но, наверное, этого будет достаточно."
