Сложно представить, что 70–150 лет назад приходилось прокладывать маршруты, вести бухгалтерию, производить сложные вычисления (а каких-то 60 лет назад уже и запускать в космос людей), без использования компьютеров. Так как же решались задачи, выполнение которых сегодня невозможно представить без использования современных технологий?
Первые «компьютеры» появились несколько сотен лет назад — так называли людей, которые занимались вычислениями. Вспоминаем женщин и мужчин, которые собственным трудом убедили ученых в ценности масштабных вычислений и заложили базу для технического прогресса.
Комета Галлея: как поссорились первые «компьютеры»
Слово computer в значении «вычислитель» впервые упоминается в 1613 году в Оксфордском словаре английского языка (в значении «механическое вычислительное устройство» оно появится там только спустя почти триста лет). Несколько веков профессиональные «компьютеры» выполняли сложные вычисления, по сути, занимаясь математическими и бухгалтерскими расчетами. Но в письменные источники, если не брать в расчет словари, они впервые попали благодаря комете Галлея.
Когда английский астроном и физик Эдмунд Галлей попытался вычислить орбиту кометы, которая сегодня носит его имя, он понял, что на эту орбиту влияют притяжение Солнца, Сатурна и Юпитера. Ученый много лет искал простое математическое выражение для этого взаимодействия, но пришел к выводу, что это невозможно, и сдался, завещав решение последующим поколениям. В своей работе «Синопсис астрономии комет» он написал следующее: «Затронув эти вопросы, я оставлю их на обсуждение потомков, после того как истина о событии будет установлена».
смотря на искреннее стремление решить проблему, Галлей имел лишь самое грубое представление об орбите кометы. Поэтому французский математик Алексис-Клод Клеро, который взялся за эту задачу следом за первооткрывателем, сразу привлек к расчетам двух своих знакомых: астронома Жозефа Лаланда и жену королевского часовщика Николь-Рейн Лепот, одну из первых известных французских женщин — математиков и астрономов. Все трое работали в Люксембургском дворце почти пять месяцев, и после кропотливых расчетов ученые установили, что ближе всего к Солнцу комета пролетит 13 апреля 1759 года, о чем Клеро и доложил Французской академии наук. В итоге комета оказалась в назначенной точке 13 марта, то есть погрешность расчетов составила всего 31 день, что по временам XVIII века было невероятной точностью.
В 1760 году в своей работе «Теория комет» Клеро рассказал о том, как команда вычислила траектории движения, но не упомянул Николь-Рейн Лепот. В ответ оскорбленная женщина разорвала рабочие отношения с коллегами и больше никогда не участвовала в совместных с ними астрономических проектах. Позднее, в 1803 году, Лаланд всё-таки обозначил заслуги Лепот в вычислениях, поблагодарив ее за проделанную работу в своей публикации «Астрономическая библиография». Сама Лепот к тому времени уже 12 лет как скончалась, а подход, в котором для расчетов использовали «живые компьютеры», стремительно набирал обороты.
Астрономические цифры
В XVIII и XIX веках астрономия сделалась одной из ключевых областей научных исследований — эта дисциплина требовала наибольшего количества вычислений. Основной причиной такой востребованности науки о звездах было, конечно же, судоходство. Для безопасной навигации в океане требуется знание как широты, так и долготы — всё это сейчас умеет определять любой телефон. Однако 300 лет назад, в досмартфонную эру, проблема была настолько острой, что в Англии даже существовал специальный комитет Commissioners for the Discovery of the Longitude at Sea, название которого на русском языке, как правило, сокращают до «Комиссии долгот». Его основали в 1714 году — впервые в британской истории правительство пыталось решить конкретную научную проблему, предложив вознаграждение, максимальный размер которого составлял 20 000 фунтов стерлингов. Премию присуждали тому, кто предлагал наиболее точный метод определения долготы на море.
Совет просуществовал до 1828 года, оказывая значительное влияние на инновации, а также системы государственного и коммерческого патронажа. Сразу скажем, что главный приз выплатили лишь один раз — в 1765 году его получил Джон Харрисон, создавший сверхточные часы, которые за время путешествия из Британии на Барбадос и обратно, то есть за 156 дней, потеряли всего пятнадцать секунд. Для нашего рассказа гораздо ценнее другая функция Совета — выпуск ежегодного «Морского Альманаха».
Во второй половине XVIII и начале XIX века там публиковали астрономические таблицы для судовых навигаторов — это был единственный способ, с помощью которого моряки могли точно ориентироваться в море. В альманахе были собраны таблицы для определения положения Солнца, Луны, звезд, планет и спутников Юпитера. И начиная с 1765 года эти таблицы готовила команда компьютеров, которым разослали записки-инструкции с объяснениями, какие методы вычисления стоит использовать.
Учитывая, что ошибка в расчетах могла привести к катастрофическим последствиям для судна, для системы вычислений был подготовлен специальный метод коррекции ошибок. Работа над одними и теми же таблицами велась независимо двумя вычислителями, которые на определенном этапе отправляли результаты своих расчетов на проверку. Проверяющий должен был убедиться, что расчеты правильные и ни в одной из таблиц не содержится ошибок. Только после этого «компьютеры» переходили к следующему этапу.
Коррекция ошибок работала довольно хорошо и в какой-то момент даже позволила выявить мухлеж: два «компьютера», Джозеф Кич и Рубен Роббинс, вместо того чтобы производить все вычисления самостоятельно, просто копировали расчеты друг друга. Нарушителей уволили и заставили оплатить проверяющему время, затраченное на «расследование».
Все «компьютеры», а их количество превышало 30 человек, работали на дому, часто в свободное время. Причем это были люди из разных кругов — священники, школьные учителя, помощники экс-Королевской обсерватории, астрономы и домохозяйки.
Так, французский инженер-строитель Гаспар де Прони в том же XIX веке с помощью небольшой группы математиков подготовил 19 томов таблиц тригонометрии и логарифмов. Сначала Прони самостоятельно разделил вычисления на ряд сложений и вычитаний, а затем нанял восемьдесят «компьютеров» для выполнения рутинных операций. Чтобы проделать эту работу, понадобилось почти шесть лет.
Тут надо сказать, что это за многотомник и почему был он так важен (а он действительно был важен!). Таблицы включали в себя значения тригонометрических функций и логарифмов, которые использовались для упрощения и ускорения вычислений. С их помощью можно было производить умножение и деление, возводить числа в степень и извлекать корни, а также решать тригонометрические задачи без необходимости каждый раз выполнять трудоемкие вычисления вручную. Работа де Прони стала одним из самых значительных математических достижений того времени.
Один из самых известных примеров использования живых компьютеров — «Гарем Пикеринга». Под руководством директора Гарвардской обсерватории Эдварда Чарльза Пикеринга в общей сложности работали более 80 женщин, которые по меркам своего времени (конец XIX, начало XX веков) совершили небольшую научную революцию. Им удалось сфотографировать и каталогизировать огромное количество звёзд и небесных объектов. Энни Кэннон создала Гарвардскую систему звёздной классификации, которая до сих пор используется в астрономии. Антония Мори придумала способ оценки относительных размеров звёзд, а Генриетта Ливитт исследовала переменные звёзды и установила связь между их изменениями и расстояниями до них, разработав на основе своих вычислений метод определения расстояний в космосе.
Две войны и закат эпохи
Стремительно наступала автоматизация процессов, и ретроспективно мы понимаем, что время «живых компьютеров» было на исходе. Например, в 1880 году Бюро переписи населения США потребовалось более 7 лет, чтобы вручную обработать всю собранную во время работы информацию и составить окончательный отчет. Тогда же инженер Герман Холлерит создал «машину табулирования» для составления таблиц, которая могла систематически обрабатывать данные, записанные на перфокартах. С помощью этого устройства итоги переписи 1890 года подвели в четыре раза быстрее — всего за полтора года.
Однако, несмотря на прогресс в автоматизированных вычислениях, развернувшаяся Первая мировая война потребовала большого количества вычислителей. Люди по обе стороны фронта создавали сетки карт, навигационные и артиллерийские таблицы, причем как правило это были женщины — большинство мужчин ушло на войну. Прошло совсем немного времени — и всё повторилось во время Второй мировой.
Между двумя войнами «компьютеры» использовались, например, в Министерстве сельского хозяйства США — из них сформировали вычислительное бюро, которое обрабатывало данные об американских фермах. Другая команда из одиннадцати человек выполняла научные расчеты для Bell Telephone Company. Эти люди охотно пользовались вычислительными машинами в своей работе — по сути именно «живые компьютеры» продвигали машины, которые их позже заменили.
В 1950-е годы время профессии подошло к концу. В Национальном бюро стандартов, сейчас известном как Национальный институт стандартов и технологий, создали мощный компьютер SEAC (Standards Eastern Automatic Computer). Машина была способна формировать математические таблицы, работать с численными алгоритмами и организовывать математическое моделирование в таких областях, как, например, ядерная энергетика. Параллельно этому в бюро завершили работу над SWAC (Standards Western Automatic Computer), который на момент сдачи в эксплуатацию был самым быстрым компьютером планеты — на каждую команду у него уходило всего 64 мкс. После того, как эти машины заработали, «человеческие компьютеры» занялись управлением вычислительными машинами или проверкой компьютерных программ, по сути став первыми в истории программистами и администраторами.
Итак, наступала эра машин. В течение нескольких лет большинство вычислительных групп, созданных во время войны, расформировали, а те немногие, что остались, заменили электронными компьютерами. Время живых вычислителей завершилось, но, как это обычно бывает, не сразу — вначале нашелся еще один необычный человек. Точнее — нашлась.
Кэтрин Джонсон: последний живой компьютер
В первые годы существования NASA сложные расчеты перепроверяли люди. Из всех математически одаренных сотрудников, которые там работали, особенно выделяется Кэтрин Джонсон. Чернокожая девушка из простой семьи, — отец трудился на ферме, а мать работала учительницей, — была вундеркиндом: школу она закончила в 14 лет, а колледж — в 18. Затем Кэтрин занялась математическими исследованиями, параллельно преподавая в школе для чернокожих в Мэрионе.
В 1953 году девушка поступила на работу в «Западный вычислительный отдел» (West Area Computing unit) исследовательского центра Лэнгли (Langley Research Center), национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), который состоял исключительно из афроамериканских сотрудников. Центр через пять лет объединили с «Командованием космическими операциями». Так Джонсон стала ядром основной группы исследователей, которые делали пилотируемые космические путешествия реальностью. «Мы написали собственный учебник, потому что другого текста о космосе не было», — спустя годы вспоминала женщина-компьютер.
Именно она проанализировала траекторию миссии первого американского космонавта Алана Шепарда, который отправился в космос в мае 1961 года на корабле Mercury Freedom 7. А Джон Гленн, первый американский астронавт, совершивший орбитальный космический полет, отказывался лететь, пока Джонсон не перепроверит расчеты машины. Только после того, как женщина подтвердила правильность вычислений, Гленн согласился: If she says they’re good, then I am ready to go («Если она говорит, что они (цифры) в порядке, я готов»). .
Джонсон также работала над расчетами, необходимыми для запуска космических челноков и спутников, параллельно став автором или соавтором 26 исследовательских отчетов. Однако оказалось, что теперь любого вундеркинда можно заменить компьютером, и после 33 лет работы в Лэнгли Джонсон ушла в отставку.
Тут самое бы время рассказать что-то и о наших соотечественниках, но в Советском Союзе многие научные и технологические проекты, особенно связанные с космосом, имели закрытый статус, «вычислительные отделы» с людьми-компьютерами были разбросаны по многочисленным КБ, НИИ и бюро. А история советских компьютерных вычислений применительно к персоналиям начинается, по сути, с момента зарождения отечественной вычислительной техники (здесь можно вспомнить, например, Сергея Лебедева).
Пафосный финал
Наверняка вы вспомните профессии, которые ушли в прошлое благодаря автоматизации. Например, операторы телефонных станций — люди, которые вручную переключали звонки от одного абонента к другому. Изменения в этой отрасли начались в 1920-х годах, когда компания AT&T начала внедрять автоматизированную коммутационную систему, в которой люди вручную набирали телефонные номера со своего домашнего аппарата и сразу дозванивались до нужного абонента. Несмотря на относительную простоту автоматизации телефонных станций, профессия оператора просуществовала на удивление долго: она полностью она исчезла примерно к 1978 году.
Живые компьютеры были одной из опор науки и инженерии на протяжении нескольких веков. Работу, которую они выполняли в течение трех сотен лет, описывают одними и теми же словами: медленная и кропотливая, требующая внимания к деталям и умения выполнять монотонные вычисления сотни раз с неизменной точностью. При этом она не была высокооплачиваемой — английский физик и математик XIX века Питер Барлоу жаловался, что профессия вычислителя не несет солидной награды, особенно с учетом времени, затраченного на расчеты, расходов на публикацию таблиц и ограниченного числа их продаж (читательская аудитория таких изданий была не сказать чтобы очень широкой). Однако именно эти люди сделали возможными многие научные достижения, в том числе и современные. И сегодняшние инновационные технологии стоят, как на китах, на сотнях безымянных математиков, которые были, по сути, главными вычислительными мощностями своего времени.
