Книга: Архитекторы компьютерного мира

Блез Паскаль и Вильгельм Шиккард Первые конструкторы механических калькуляторов

Блез Паскаль и Вильгельм Шиккард

Первые конструкторы механических калькуляторов

Блез Паскаль

19 июня 1623 года в Клермон-Ферране родился человек, который сконструировал первый механический калькулятор — это был первый шаг человечества к электронному цифровому компьютеру сегодняшнего дня. Имя этого человека — Блез Паскаль.

Сохранившиеся портреты позволяют представить внешний облик Блеза Паскаля: он хрупок и невысок ростом; вьющиеся волосы ниспадают на плечи; белый отложной воротник подчеркивает нездоровую бледность лица, черты которого скорее некрасивы, нежели привлекательны: покатый лоб, нос с горбинкой, пухлые губы… пожалуй, замечательны лишь темные, внимательные глаза…

Известный сегодня как один из наиболее выдающихся физиков и математиков своего времени — создавший теорию вероятностей, а также как один из самых больших мистических авторов в христианской литературе, Паскаль больше всего известен как создатель первого калькулятора.

Блез Паскаль — один из трех оставшихся в живых детей Этьенна Паскаля, второго президента суда помощников в Клермоне, и его жены, Антуанетты Бегон. Дедушка Блеза, Мартин Паскаль, был казначеем Франции. В возрасте одного года Блез серьезно заболел туберкулезом, который сопровождался некоторыми осложнениями. Надо сказать, что плохое здоровье осталось у него на всю жизнь.

Когда Блезу было четыре года, умерла его мать. Этьенн Паскаль все реже занимается работой и все больше уделяет внимания образованию своего сына. В 1631 году Этьенн передал свою работу коллеге, заложил большинство собственности в правительственные облигации и переехал в Париж с сыном и двумя дочерьми. Он непрерывно занимался с сыном, что постепенно привело Блеза к его потрясающим достижениям в физике и математике.

Свои гениальные способности Паскаль проявил рано, уже в 11 лет он проводил эксперименты по записи на бумагу звуков, вызванных касанием вибрирующих объектов. В то время как естественное любопытство ребенка тянуло его к предмету геометрии, неортодоксальные методы обучения его отца требовали изучения сначала латинского и греческого языков. Этьенн Паскаль старался спрятать все его учебники по математике и просил своих друзей не упоминать математику в присутствии его сына. Однако он оставил Блезу одну область математики — геометрию.

Занимаясь только этой областью, Блез стал выводить круги и линии и записывать наблюдения относительно их связей. Без помощи преподавателя молодой Блез обнаружил для себя базисные аксиомы геометрии. Все также без помощи преподавателя молодой Блез пошел далее и доказал 32-ю аксиому Евклида, которая гласит, что сумма углов треугольника равна двум прямым углам.

Когда Блезу исполнилось 16 лет, семейные обстоятельства изменились и послужили поводом к разработке Блезом механического калькулятора. В это же время он пишет трактат «Опыт о конических сечениях». Одна из теорем, приведенных в данном трактате, до сих пор остается в числе основных теорем проективной геометрии и так и называется — теорема Паскаля.

Правительственные облигации, в которые Этьенн Паскаль вложил свои сбережения, внезапно обесценились, и возникшие финансовые потери вынудили семейство уехать из Парижа.

В Руане, куда прибыло семейство, Этьенн Паскаль был назначен королевским специальным уполномоченным в Верхней Нормандии для налоговых сборов, которые требовали больших арифметических вычислений. В это время Блез готовился писать краткое изложение всех областей математики, но его отец постоянно требовал, чтобы сын помог ему в суммировании бесконечных столбцов чисел. Это создавало значительные проблемы молодому человеку и в то же время привело его к созданию концепции калькулятора.

В 19 лет, сформулировав свою концепцию, Блез Паскаль начинает разрабатывать различные модели калькулятора. И в 1645 году он изумил всю Европу своей усовершенствованной, рабочей моделью автоматического, механического калькулятора.

«Паскалина», или «Паскалево колесо», подобно механическим калькуляторам XX века, идентифицировала цифры в колесиках. Когда каждое колесико заканчивало свое вращение, оно в свою очередь сдвигало соседнее колесико на десятую часть вращения, таким образом, происходило суммирование каждой подсчитанной цифры. Одна из вершин блока представляла собой ряд окон, через которые можно было считывать результат.

«Паскалево колесо»

Например, для сложения 236 и 422 нужно было сначала повернуть все диски так, чтобы во всех окнах появились нули. При использовании десятичной системы — для единиц запускается третий диск с правой стороны — пользователь должен был поднять рычажок до отметки 6. После этого диск начинал вращаться по часовой стрелке до тех пор, пока рычажок не останавливала полоска, как при наборе номера телефона.

Следующий диск слева, для десятков, запускается и вращается до 3, пока не остановится. И наконец, последний слева диск, представляющий сотни, вращается до 2, пока тоже не остановится. В это время числа 2, 3 и 6 появляются в окнах и читаются слева направо. Если повторить процесс для 422, в окнах читалась бы сумма 658.

Для вычитания металлическая полоска, зафиксированная выше окон, перемещается вперед, раскрывая второй набор окон, которые являются продлением первого набора. Для вычитания числа 1 от 3 пользователь поворачивает диски, пока число 3 не появится в окне. После набора числа 1 остаточный член 2 автоматически появляется на индикаторе.

«Паскалина» стала использоваться только после того, как было сконструировано более 50 моделей, некоторые были сделаны из древесины, другие из слоновой кости, эбенового дерева и меди. По крайней мере, 10 из них, как известно, существуют до сих пор. Соединяющие стержни, плоские металлические полосы и плоские и изогнутые цепочки, конусы и концентрические и эксцентрические колеса — все это использовалось в течение многих попыток, которые закончились, наконец, легким полированным медным блоком, размером приблизительно 14x5x3 дюймов.

Машина, которая могла только складывать и вычитать, была основана на чрезвычайно точных, связанных между собой, механизмах. Наиболее сложным механизмом соединения было устройство переноса десятков, которое одним вращением одного колеса двигало одну цифру на колесе следующего более высокого разряда. Наличие такого механизма, позволяющего вычислителю не тратить внимание на запоминание переноса из младшего разряда в старший, — вот концепция машины Паскаля, на основе которой создавались механические калькуляторы все последующие 300 лет.

Изобретение Паскаля удивило Европу и принесло его создателю огромную славу и небольшое богатство, к которому он и его отец стремились.

Хотя Паскаль сделал машину очень простой в эксплуатации, потенциальные покупатели чувствовали, что она слишком сложна и может быть использована только самим Паскалем. И в тоже время обыватели забеспокоились — не приведет ли использование «паскалева колеса» к безработице среди бухгалтеров и других клерков? На этот вопрос при жизни Паскаля не нашлось ответа. И даже несмотря на то, что машину увековечили в прозе и в стихах, она не пользовалась большим спросом.

В возрасте 30 лет, когда многие его научные достижения уже состоялись, Паскаль оценивал их как «игры и отклонения его юности», писала его сестра Жильберта. Оставшиеся девять лет своей жизни он посвятил Богу, писал различные трактаты на религиозные темы. В 1658 году его здоровье сильно ухудшилось, но он продолжал работать над религиозными сочинениями, не возвращаясь больше к математике и калькулятору.

В 1662 году, в возрасте 39 лет, Блез Паскаль умер от кровоизлияния в мозг. Великий математик, похоронивший свои таланты из уважения к тому, что, как он расценил, было реальной целью его жизни, произнес свои последние слова: «Бог никогда не сможет отказаться от меня!»

Более 300 лет считалось, что автором первого калькулятора является Блез Паскаль. Правда, иезуит Иоганн Цирман в своей книге «Дисциплина математика» (1640 год) писал о счетной машине, которую он якобы изобрел и успешно демонстрировал во время своих лекций в Амстердаме и Левене. Однако машину отца Иоганна никто никогда не видел, и пальма первенства осталась за Паскалем.

Но только до тех пор, пока в 1957 году ни произошло событие, которое поколебало первенство «паскалева колеса». Вот что пишут по этому поводу авторы книги «От абака до компьютера» Р. С. Гутер и Ю. Л. Полунов.

«Работая в городской библиотеке Штутгарта, директор Кеплеровского научного центра доктор Гаммер обнаружил фотокопию эскиза неизвестной ранее счетной машины (оригинал хранился в архиве Кеплера, находящемся в Пулковской обсерватории близ Петербурга).

Ему удалось установить, что этот эскиз представляет собой отсутствующее приложение к опубликованному ранее письму, адресованному Кеплеру, от профессора университета в Тюбингене Вильгельма Шиккарда. В письме от 25 февраля 1624 года Шиккард, ссылаясь на чертеж, описывает внешнее устройство придуманной им счетной машины, которую он назвал „часами для счета“: „ааа — верхние торцы вертикальных цилиндров, на боковых поверхностях которых нанесены таблицы умножения; цифры этих таблиц при необходимости могут наблюдаться в окнах ввв. скользящих пластинок. К дискам ddd крепятся изнутри машины колеса с десятью зубьями, каждое из которых находится в таком зацеплении к себе подобным, что если любое правое колесо повернется десять раз, то находящееся слева от него колесо сделает один поворот или, если первое из упомянутых колес сделает 100 оборотов, третье слева колесо повернется один раз. Для того чтобы зубчатые колеса вращались в одном и том же направлении, необходимо иметь промежуточные колеса… Цифры, которые имеются на каждом колесе, могут наблюдаться в отверстиях ссс среднего выступа. Наконец, на нижнем выступе имеются вращающиеся головки еее, служащие для записи чисел, которые появляются при вычислениях — они видны в отверстиях fff…“

Теперь стало более понятным другое письмо Шиккарда Кеплеру (от 20 сентября 1623 года), на которое прежде исследователи почти не обращали внимания. В нем Шиккард сообщал, что осуществил механически то, что Кеплер делал алгебраически. Он сконструировал машину, состоящую из 11 полных и 6 неполных колес. Машина сразу и автоматически проделывает сложение и вычитание, умножение и деление. Кеплер был бы приятно удивлен, пишет Шиккард, если бы увидел, как машина сама накапливает и переносит влево десяток или сотню и как она вычитает то, что держит в уме…

Гаммеру удалось обнаружить еще один чернильный набросок машины Шиккарда и письменные указания механику Вильгельму Пфистеру, изготовлявшему машину, а также собрать некоторые биографические сведения об ученом.

Вильгельм Шиккард

Вильгельм Шиккард (1592–1636) появился в Тюбингене в 1617 году как профессор кафедры восточных языков местного университета. В том же году он вступает в переписку с Кеплером и рядом немецких, французских, итальянских и голландских ученых по вопросам астрономии. Заметив в 25-летнем ученом незаурядные математические способности, Кеплер настоятельно советует ему заняться математикой. Последовав этому совету, Шиккард достиг больших успехов на новом поприще и в 1631 году занял кафедру математики и астрономии. В 1636 году Шиккард и его семья погибли от чумы. Труды ученого были забыты в смутное время Тридцатилетней войны.

Следуя найденным Гаммером материалам, ученые Тюбингенского университета в начале 60-х годов построили действующую модель машины Шиккарда.

Кроме суммирующего механизма, в машине Шиккарда имелось множительное устройство, расположенное в верхней, вертикальной, части машины и представлявшее собой неперовские палочки, свернутые в цилиндр.

Была ли построена машина Шиккарда при жизни ее изобретателя? К сожалению, на этот счет нет достоверных сведений. Из упоминавшегося выше письма Шиккарда от 25 февраля 1624 года следует, что один наполовину готовый экземпляр машины, находившейся у механика Пфистера, сгорел во время трехдневного пожара, „поэтому я пишу тебе, чтобы отвести душу, т. к. переживаю потерю очень тяжело и не имею времени быстро создать новую машину“, — добавляет Шиккард.

На вопрос, использовал ли Паскаль в своей „паскалине“ идеи Шиккарда, следует ответить отрицательно. Документы говорят о том, что никаких сведений о счетной машине 1623 года не дошло до научных кругов Парижа, и, следовательно, Паскаль был полностью независимым в своем изобретении. Некоторые элементы (в частности, способ ввода чисел в машину) у Шиккарда и Паскаля в принципе идентичны, однако основной узел машины — механизм передачи десятков — выполнен у Шиккарда значительно проще и надежнее».

Машина Шиккарда

Вероятно, Вильгельма Шиккарда следует считать одним из предшественников механизации счета, но не изобретателем счетной машины, т. к. его машину никто не видел, распространения она не получила и, в отличие от калькулятора Паскаля, влияния на последующее развитие калькуляторов не оказала.

Справедливости ради, необходимо отметить, что и машина Шиккарда была не первой. Это обнаружилось в 1967 году, когда в Национальной библиотеке Мадрида были найдены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. Среди чертежей первого тома имелся эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с 10 зубчатыми колесами. Построенная в наше время по найденному эскизу машина оказалась работоспособной.

Оглавление книги