Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

Ада

Леди Байрон решительно не хотела, чтобы Ада пошла по стопам своего отца, и она решила, что лучший способ избежать этого – начать серьезно обучать девушку математике. В ее представлении это послужило бы противоядием от поэтического воображения. Когда в пять лет Ада больше полюбила географию, леди Байрон распорядилась, чтобы этот предмет был заменен дополнительными уроками арифметики, и ее гувернантка вскоре с гордостью сообщила: “Она без ошибки складывает по пять-шесть рядов цифр”. Несмотря на все эти усилия, Ада все-таки унаследовала некоторые склонности своего отца. Когда она была подростком, у нее случился роман с одним из ее наставников, а когда их поймали и наставник был изгнан, она попыталась убежать с ним из дома. Кроме того, она была подвержена перепадам настроения – от ощущения своего превосходства до отчаяния и страдала от различных недомоганий – как физических, так и психологических.

Ада разделяла точку зрения своей матери на то, что погружение в математику может помочь приглушить байронические черты ее характера. В восемнадцать лет, после опасного романа с наставником, вдохновленная разностной машиной Бэббиджа, она по собственной инициативе решила продолжить уроки математики. “Я должна перестать думать, что цель жизни – получение удовольствия или самоудовлетворение, – написала она новому учителю. – Я вижу, что в настоящее время, кроме каких-то упорных и интенсивных занятий научными дисциплинами, ничто не способно помешать моему воображению разбушеваться… Как мне кажется, в первую очередь мне нужно пройти курс математики”. Он согласился с ее решением: “Вы правы, полагая, что главный источник вашего спасения теперь – в тяжелой интеллектуальной работе. В этом смысле ничто не может сравниться с математикой”¹⁷. Он предложил ей заняться сначала евклидовой геометрией, а потом – тригонометрией и алгеброй. Как оба они думали, это вылечит любого от излишне разбушевавшегося воображения или романтических страстей.

Ее интерес к технологии возник, когда мать взяла ее в поездку в центральные графства Англии, где они осматривали производственное оборудование и новые заводы. Особенно Аду впечатлил автоматический ткацкий станок, в котором для управления рисунком ткани использовались перфокарты, и она на месте набросала схему его работы. В своей знаменитой речи в палате лордов ее отец защищал луддитов, которые разбивали подобные станки, страшась того, что технология может принести вред людям. Но Ада восприняла увиденные станки поэтически и разглядела их связь с теми машинами, которые позже будут назваться компьютерами. Она записала: “Этот механизм напоминает мне о Бэббидже и его жемчужине всех машин”¹⁸.

Дополнительным импульсом, подогревшим интерес Ады к прикладной науке, была встреча с одной из немногих в Великобритании видных математиков и ученых-женщин – Мэри Сомервиль. Сомервиль только что закончила одно из своих великих произведений “О связи физических наук”, в котором она сопоставила открытия в астрономии, оптике, электричестве, химии, физике, ботанике и геологии^[3]. В книге описывалось, какие усилия направлены на поиски универсальных законов природы, и она была пронизана характерным для того времени ощущением общей цели. Во вступлении к книге Мэри утверждает: “В современной науке, особенно в последние пять лет, наблюдались серьезные успехи в упрощении законов природы и объединении отдельных направлений на основе общих принципов”.

Сомервиль стала другом, учителем, вдохновителем и наставником Ады. Она встречалась с ней регулярно, посылала математические книги, предлагала задачи для решения и терпеливо разъясняла правильное решение. Она также была близким другом Бэббиджа, и осенью 1834 года они с Адой часто посещали его субботние вечерние салоны. Сын Мэри Сомервиль – Воронцов Грейг помог Аде угомониться, рассказав о ней Кингу – одному из своих бывших товарищей по Кембриджу. Он посоветовал Кингу жениться на Аде, заметив, что она будет подходящей или, по крайней мере, интересной женой.

Уильям Кинг занимал высокое положение в обществе, был материально обеспечен, спокоен и интеллигентен и настолько же сдержан, насколько Ада была возбудима. Как и она, он был студентом, изучал науки, но больше интересовался практическими вопросами, чем поэтическими, – больше всего его занимали теория севооборота и всяческие новинки в животноводстве. После нескольких недель знакомства он предложил Аде заключить брак, и она приняла предложение. Ее мать по соображениям, которые мог понять разве только психиатр, решила, что необходимо рассказать Уильяму о попытке Ады убежать с ее учителем. Несмотря на эту неприятную историю, Уильям не отказался от свадьбы, которая и состоялась в июле 1835 года. Леди Байрон написала своей дочери: “Слава богу, который так милостиво дал тебе шанс избежать опасного пути и подарил тебе друга и опекуна”. И добавила, что та должна использовать эту возможность, чтобы “попрощаться” со всеми ее “странностями, капризами и самокопанием”¹⁹.

Этот брак был похож на любой брак, заключенный по рациональным причинам. Аде он дал возможность вести более стабильную и приземленную жизнь. Что еще важнее, он позволил ей избежать зависимости от властной матери. Уильям же получил очаровательную и эксцентричную жену из богатой и известной семьи.

Двоюродный брат леди Байрон виконт Мельбурн (который имел несчастье быть женатым на леди Каролине Лэм, к тому времени покойной) был премьер-министром, и он устроил так, что при коронации королевы Виктории Уильяму присвоили титул графа Лавлейса, а его жена стала Адой, графиней Лавлейс. Таким образом, ее правильно называть Адой или леди Лавлейс, хотя в наше время ее обычно называют Адой Лавлейс.

На Рождество 1835 года Ада получила в подарок от матери фамильный портрет своего отца в натуральную величину. На романтическом портрете кисти Томаса Филлипса лорд Байрон был изображен в профиль, в традиционном албанском костюме, который состоял из красной бархатной куртки, церемониального меча и головного убора. В течение многих лет портрет висел над камином Адиных бабушки и дедушки, но в тот день, когда ее родители разошлись, его завесили зеленой тканью. Теперь ей разрешили не только увидеть, но и владеть им, наряду с его чернильницей и пером.

Ее мать совершила еще более удивительный поступок. Когда спустя несколько месяцев родился первый ребенок Ады и Уильяма – сын, она, несмотря на презрение к памяти покойного мужа, согласилась с тем, что Ада назовет мальчика Байроном, что та и сделала. В следующем году Ада родила девочку, которую она, как послушная дочь, назвала Анабеллой в честь матери. После родов Аду на несколько месяцев приковала к постели еще одна загадочная болезнь. После нее она оправилась достаточно, чтобы родить третьего ребенка – сына, названного Ральфом. Но ее здоровье было подорвано – у нее возникали проблемы с пищеварительной системой и дыхательными путями, которые только усугубились от лечения настойкой опия и морфином, к тому же они привели к появлению перепадов в настроении и периодическим галлюцинациям.

Душевное состояние Ады еще больше ухудшилось, когда она узнала о семейной драме, странной даже по меркам семьи Байронов. В ней участвовала Медора Ли – дочь сводной сестры (и временами любовницы) Байрона. По общему мнению, Медора была дочерью Байрона. Она, казалось, решила доказать, что семья одержима темными силами. У нее случился роман с мужем сестры, с которым она потом убежала во Францию и родила двух внебрачных детей. В порыве добродетельности леди Байрон отправилась во Францию спасать Медору и тогда открыла Аде историю инцеста ее отца.

Эта “самая странная и страшная история”, похоже, не поразила Аду. “Я ни в малейшей степени не удивлена, – написала она матери, – ты просто подтвердила то, о чем в течение многих лет я не только подозревала, но в чем вряд ли сомневалась”²⁰. Как ни странно, она была не возмущена, а скорее взволнована новостями. Она заявила, что эту историю можно понять как вызов отца властям. Говоря о его “неправильном гении”, она написала матери: “Если он передал мне какую-либо часть этого гения, я хотела бы использовать ее для открытия великих истин и принципов. Я думаю, что он завещал мне выполнить эту задачу. Во мне это чувство сильно, и мне нравится исполнять это завещание”²¹.

И опять Ада взялась за изучение математики для того, чтобы обрести равновесие, и попыталась упросить Бэббиджа стать ее учителем. Она пишет: “Мой способ обучения необычен, и я думаю, что только исключительному человеку удастся научить меня”. Не то из-за опиатов, не то из-за ее наследственности, не то из-за того и другого вместе, но она сформировала несколько преувеличенное мнение о своих талантах и начала считать себя гением. В своем письме к Бэббиджу она написала: “Не считайте меня тщеславной… но мне кажется, что я способна продвинуться в этом стремлении так далеко, как захочу. И я спрашиваю себя: если есть настолько определенное желание, можно даже сказать – почти страсть, какая есть у меня для достижения этой цели, не всегда ли это свидетельствует в какой-то степени о природной гениальности”²².

Бэббидж отклонил просьбу Ады, что было, вероятно, мудрым решением. Это сохранило их дружбу и, что еще более важно, – их сотрудничество. А она смогла вместо него найти первоклассного учителя математики – Огастеса де Моргана, терпеливого и вежливого человека, который был одним из создателей символической логики. Он выдвинул гипотезу (которую Ада однажды применит и сделает из нее важные выводы), состоявшую в том, что алгебраическое уравнение может применяться не только к числам. Соотношения между символами (например, a + b = b + а) могут быть частью логики, которая оперирует нечисловыми объектами.

Ада никогда не была великим математиком, как утверждают ее поклонники, но она была прилежной ученицей и сумела понять основы математического анализа. Обладая художественным восприятием, она любила визуализировать меняющиеся графики и траектории, описываемые уравнениями. Де Морган рекомендовал ей сосредоточиться на правилах решения уравнении, но она охотнее обсуждала основные понятия. Точно так же было и с геометрией: она часто искала визуальные способы решения задач, например, таких как нахождение фигур, на которые делят сферу нарисованные на ней пересекающиеся окружности.

Способность Ады оценить красоту математики – дар, которым многие люди, в том числе и считающие себя интеллектуалами, не обладают. Она поняла, что математика была великолепным – временами даже поэтическим – языком, описывающим гармонию Вселенной. Несмотря на усилия матери, она оставалась дочерью своего отца, и восприятие у нее было поэтическое. Это позволяло ей видеть в уравнении мазок, который наложен на картину физического великолепия природы, точно так же как она могла представить в своем воображении “винноцветное море” или женщину, которая “идет во всей красе, как ночь”. Но в математике она видела еще более глубокую – духовную привлекательность. Математика “представляет собой единственный язык, с помощью которого мы можем адекватно описать важнейшие черты мира природы, – писала она, – и это позволяет нам создать представление об изменении взаимоотношений”, которые происходят в мире. Это “инструмент, с помощью которого слабый человеческий разум лучше всего может понять работу Творца”.

Эта способность применять воображение в научных изысканиях характерна как для эпохи промышленной революции, так и для эры компьютерной революции, для которой Аде суждено было стать иконой. Как она сказала Бэббиджу, она была в состоянии понять связь между поэзией и анализом и в этом превзошла талантом своего отца. Она писала: “Я не верю, что мой отец был (или когда-либо мог бы быть) таким поэтом, каким я буду аналитиком, ибо во мне оба таланта живут одновременно”²³.

Она сказала своей матери, что ее возобновившиеся занятия математикой развили в ней творческое начало и привели к “невероятному развитию воображения, так что у меня нет никаких сомнений в том, что если я буду продолжать занятия, то в свое время стану поэтом”²⁴. Идея использования воображения, а в особенности применительно к технологии, интриговала ее. “Что такое воображение? – спрашивает она в своем эссе 1841 года. – Это объединяющий дар.

Оно помогает представить вещи, факты, идеи, концепции в новых, оригинальных, бесконечных, всегда меняющихся комбинациях… Это оно проникает в невидимые миры вокруг нас, в миры науки”²⁵.

К тому времени Ада поверила, что она обладает особенными, даже сверхъестественными способностями, которые, как она выразилась, позволяют “интуитивно воспринимать скрытые вещи”. Ее преувеличенное представление о своих талантах приводило к тому, что она ставила себе цели, необычные для женщины-аристократки и матери в ту раннюю викторианскую эпоху. “Я считаю себя обладательницей уникальной комбинации качеств, соединенных во мне в нужной пропорции и дающих мне преимущество в поисках скрытых свойств природы, – поясняла она в письме к своей матери в 1841 году. – Я могу свести лучи от разных частей Вселенной в один огромный фокус”²⁶.

Как раз в это время и в таком настроении она решила снова начать сотрудничать с Чарльзом Бэббиджем, на приемах у которого она впервые побывала восемь лет назад.

Чарльз Бэббидж и его машины

С раннего возраста Чарльз Бэббидж интересовался машинами, которые могли бы решать задачи, поставленные человеком. Когда он был ребенком, мать водила его на разные выставки и в музеи, во множестве открывавшиеся в Лондоне в начале 1800-х годов. Когда они пришли в один из музеев^[4] на Ганноверской площади, владелец музея с говорящей фамилией Мерлин пригласил его на чердак в мастерскую, где хранилось множество механических кукол, называемых “автоматами”. Одна из кукол – серебряная танцовщица около фута высотой – плавно двигала руками, в которых держала птицу, и та могла вилять хвостом, махать крыльями и открывать клюв. Способность Серебряной леди демонстрировать чувства и характер покорили воображение мальчика. Он вспоминал: “Ее взгляд был совершенно осмысленным”. Годы спустя он обнаружил Серебряную леди на каком-то аукционе по банкротству и купил ее. Она развлекала гостей на его вечерних салонах, где он демонстрировал чудеса техники.

В Кембридже Бэббидж подружился с несколькими сокурсниками, в том числе с Джоном Гершелем и Джорджем Пикоком, и их объединяло разочарование в том, как их учат математике. Они организовали клуб, назвали его Аналитическим обществом, которое поставило целью убедить университет отказаться от системы обозначений, введенных выпускником Кембриджа Ньютоном, в которой производные обозначались точками над функциями, и заменить их обозначениями, придуманными Лейбницем (в которых используются символы dx и dy, представляющие собой бесконечно малые приращения), получившими название d-обозначений. Бэббидж назвал свой манифест “Принципы чистого D-изма как лекарство от университетского старческого слабоумия”²⁷. Он был человеком язвительным и обладал хорошим чувством юмора.

Однажды Бэббидж сидел в комнате Аналитического общества и работал c таблицами логарифмов, в которых было полно несоответствий. Гершель спросил его, о чем он думает, и Бэббидж ответил: “Я хотел бы попросить Бога, чтобы эти расчеты можно было выполнить с помощью пара”. На эту идею (составления таблиц логарифмов с помощью механического метода) Гершель ответил: “Что же, это вполне возможно”²⁸. В 1821 году Бэббидж задумался над созданием такой машины.

На протяжении ряда лет многие изобретатели возились над созданием вычисляющих машин. Еще в 1640-е годы французский математик и философ Блез Паскаль, чтобы облегчить тяжелую работу своего отца – налогового инспектора, сконструировал механический калькулятор. Он состоял из связанных друг с другом металлических колесиков со спицами и цифрами от о до 9, расположенными по окружности. Чтобы сложить или вычесть числа, оператор сначала набирал первое число, поворачивая колесики чем-то вроде стилуса примерно так, как это делалось в дисковом телефоне, затем набиралось следующее число. При повороте большем, чем на цифру 9, 1 переносилась в следующее колесико при сложении, а при вычитании, соответственно, 1 забиралась из соседнего колесика. Этот калькулятор стал первым запатентованным и коммерчески реализованным счетным устройством.

Тридцать лет спустя немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц попытался усовершенствовать хитроумное изобретение Паскаля, введя в него ступенчатый вычислитель, с помощью которого можно было умножать и делить. “Калькулятор Лейбница” представлял собой вращающийся с помощью ручки цилиндр с зубчиками, которые сцеплялись с зубчиками счетных колесиков. Но Лейбниц столкнулся с проблемой, которая будет постоянно возникать у изобретателей в цифровую эпоху. В отличие от Паскаля, искусного инженера, которому удавалось сочетать гениальность теоретика с талантами изобретателя-механика, Лейбниц не имел навыков инженерного дела, и в его окружении людей с подобными навыками не было. Таким образом, как и многие великие теоретики, у которых не было среди коллег хороших инженеров, он так и не смог создать надежно работающее устройство. Тем не менее его основная концепция устройства, названного “шагающим цилиндром” или “калькулятором Лейбница”, повлияла на конструкцию калькуляторов, создаваемых и во времена Бэббиджа.

Бэббидж знал про устройства Паскаля и Лейбница, но попытался сделать нечто более сложное. Он хотел построить механическую машину для расчетов логарифмов, синусов, косинусов и тангенсов^[5]. Для этого он позаимствовал идею французского математика Гаспара де Прони, которую тот выдвинул в 1790-е годы. Для того чтобы составить логарифмические и тригонометрические таблицы, де Прони разбил операции на очень простые шаги, на каждом из которых выполняется только сложение и вычитание. Потом он написал простые инструкции десяткам людей, которые мало что понимали в математике, но могли выполнять эти простые задания, а затем передавали свои результаты следующей группе расчетчиков. Другими словами, он создал сборочный расчетный конвейер – великую инновацию времен промышленной революции, которая была так незабываемо описана и проанализирована Адамом Смитом в его труде о разделении труда на фабрике по производству булавок. После поездки в Париж, где он услышал про метод де Прони, Бэббидж написал: “Я понял вдруг, как применить тот же метод к огромной работе, которой я был завален, и рассчитывать логарифмы по той же схеме, что и производство булавок”²⁹.

Бэббидж понял, что даже сложные математические задачи могут быть разбиты на шаги, которые бы свелись к расчету “конечных разностей” с помощью простых операций сложения и вычитания. Например, для того чтобы определить значения квадратов последовательных чисел в 1², 2², 3², 4² и так далее, нужно выписать начальные числа в этой последовательности: 1, 4, 9, 16… и сформировать из них столбец А. В соседнем столбце B можно выписать разницу между последовательными числами из столбца А, то есть в данном случае это последовательность чисел 3, 5, 7, 9… В столбец C вносятся разности между последовательными числами столбца B, которые равны 2, 2, 2, 2, После того как процесс был разбит на такие шаги, его можно было развернуть в обратную сторону (то есть по известным постоянным третьим разностям восстанавливать квадраты чисел) и отдать решать задачу не обученным математике расчетчикам. Один из них должен отвечать за добавления двойки к последнему числу из столбца B, а затем передавать этот результат другому, который будет добавлять этот результат к последнему числу из столбца А, получая таким образом следующее значение в последовательности квадратов чисел.

Бэббидж разработал способ автоматизации этого процесса и назвал изобретенное им устройство разностной машиной. Она могла просчитать любую функцию, выраженную в виде многочлена, и давала численный метод аппроксимации решения дифференциальных уравнений.

Как она работала? Разностная машина использовала вертикальные валики с дисками, которые могли поворачиваться на угол, соответствующий любой цифре. Они были связаны с зубчиками шестеренки, которые можно было повернуть рукояткой для того, чтобы сложить это число с числом, набранным на диске соседнего валика (или вычесть его). Машина могла даже “сохранять” промежуточные результаты на еще одном валике. Главная сложность состояла в том, как “перенести” единицу на следующий разряд или “позаимствовать” у него в случае необходимости, как это делаем мы, когда на бумаге с помощью карандаша вычисляем сумму типа 36+19 или разность 42–17. Опираясь на устройства Паскаля, Бэббидж придумал несколько хитроумных приспособлений, которые позволили шестеренкам и валикам выполнять вычисления.

Машина должна была стать настоящим чудом. Бэббидж даже придумал, как заставить ее составить таблицу простых чисел от о до 10 миллионов. На британское правительство это произвело впечатление, по крайней мере вначале. В 1823 году оно предоставило Бэббиджу стартовый капитал в размере 1700 фунтов, но за десятилетие, в течение которого продолжались попытки построить машину, он потратил более 17 тысяч фунтов – в два раза больше стоимости военного корабля. Проект столкнулся с двумя проблемами. Во-первых, Бэббидж и нанятый им инженер не имели достаточной квалификации, чтобы заставить устройство работать. Во-вторых, к этому времени он уже придумал нечто лучшее.

Новой идеей Бэббиджа, возникшей у него в 1834 году, был проект счетной машины общего назначения, которая могла бы выполнять множество различных операций по инструкциям, задаваемых ей программным образом. Она могла бы выполнять одну задачу, а затем переключаться на другую. Бэббидж объяснил, что она могла даже сама задать себе команду поменять задачу или изменить свой “алгоритм действий”, исходя из ее собственных промежуточных расчетов. Бэббидж назвал эту свою концепцию “аналитической машиной”. Он опередил свое время на сто лет.

Вверху: Копия аналитической машины

Слева: Копия разностной машины

Вытканный на станке Жаккарда портрет Жозефа-Мари Жаккарда

Ткацкий станок Жаккарда

Аналитическая машина была порождена тем, что Ада Лавлейс в своем эссе о воображении назвала “объединяющим даром”. Бэббидж собрал все инновации, которые к тому времени появились в других областях, – прием, используемый многими великими изобретателями. Первоначально он использовал металлический барабан, который был усеян шипами для контроля за поворотом валика. Но потом он, как и Ада, внимательно изучил конструкцию автоматического ткацкого станка, изобретенного в 1801 году французом по имени Жозеф-Мари Жаккард, совершившим переворот в шелкоткацкой промышленности. На этих станках рисунок на ткани создавался за счет использования крючков, которые поднимали определенные нити основы, а затем стержень заталкивал уточную нить под основную. Для управления этим процессом Жаккард изобрел метод использования карт с пробитыми в них отверстиями. Положение отверстий определяло, какие крючки и стержни должны менять местами нити основы и утка при каждом шаге плетения, таким образом автоматически создавались замысловатые узоры. Для каждого прохождения челнока, протягивающего нить, использовалась новая перфокарта.

30 июня 1836 года Бэббидж сделал запись в блокноте, названном им “Небрежные заметки”, которая знаменует собой важную веху в истории компьютеров: “Предложил ткацкий станок Жаккарда в качестве замены барабанов”³⁰. Использование перфокарт вместо стальных барабанов означало, что в машину может быть введено неограниченное количество инструкций. Кроме того, при таком подходе последовательность задач можно было менять, в результате чего стало легче сконструировать машину общего назначения, которая была бы и универсальной, и перепрограммируемой.

Бэббидж купил тканый портрет Жаккарда и начал демонстрировать его на своих салонах. На портрете был изображен изобретатель, сидящий в кресле на фоне своего ткацкого станка, держащий кронциркуль, приложенный к прямоугольным перфокартам. Бэббидж озадачивал своих гостей, предлагая им догадаться, из чего он сделан. Большинство гостей думало, что это великолепно выполненная гравюра. Тогда он показывал, что в действительности это был тончайший шелковый гобелен с двадцатью четырьмя тысячами рядов нитей, каждый из которых управлялся своей перфокартой. Когда супруг королевы Виктории принц Альберт пришел на один из приемов Бэббиджа и спросил хозяина, чем гобелен интересен, Бэббидж ответил: “Он очень помогает мне объяснить принцип моего вычислительного устройства – аналитической машины”³¹.

Однако мало кто оценил красоту предлагаемой новой машины Бэббиджа, и британское правительство не проявило никакого желания финансировать ее изготовление. Бэббидж, как ни старался, не смог привлечь к своему изобретению внимания ни в популярной прессе, ни в научных журналах.

Но одного сторонника он нашел. Ада Лавлейс оценила идею универсальной машины в полной мере. Что еще более важно, она смогла представить в своем воображении такое ее свойство, которое могло бы сделать машину истинным чудом: по идее, она могла бы оперировать не только цифрами, но и любыми символами, включая, например, музыкальные ноты и цвета на картине. Ада разглядела поэзию в этой идее и задалась целью убедить в этом других.

Она забросала Бэббиджа письмами, причем некоторые из них были довольно нахальными, ведь он был на двадцать четыре года старше ее. В одном она описала игру для одного участника, в которой используется двадцать шесть шариков, а цель – заставить их так прыгать, чтобы остался только один шарик. Она не только освоила игру, но попыталась вывести “математическую формулу… которая описывает решение и которую можно переложить на язык символов”. И дальше она спросила: “Не слишком ли у меня, на ваш взгляд, разыгралось воображение? Мне кажется, что нет”³².

Она решила начать сотрудничать с Бэббиджем как партнер, помочь ему рекламировать аналитическую машину и попытаться получить поддержку для ее строительства. “Я очень хотела бы поговорить с вами, – писала она в начале 1841 года, – и намекну вам, о чем. Мне кажется, что в какой-то момент в будущем моя голова может быть полезной для некоторых ваших целей и планов. Если это так, если я когда-нибудь смогу быть достойной или полезной вам, моя голова к вашим услугам”³³.

Год спустя для этого представилась уникальная возможность.