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“计算机第一人”查尔斯·巴贝奇与英国科学界的革新时代

时间:2019-11-07 11:45:04 人气:925

追求准确的变革

查尔斯·巴贝奇于1791年出生于一个银行家家庭。他从小就对数学有浓厚的兴趣。1810年在剑桥大学三一学院学习之前,他从数学家的著作中自学了一些现代数学知识,如约瑟夫·路易斯·拉格朗日。他对现代数学的理解使他对大学课程中的数学课程非常不满。

在巴贝奇的学年,英国数学课程使用牛顿的方法和符号来进行微积分运算。而法国、德国等国则采用莱布尼茨发明的大陆法,这种方法比牛顿的符号更简洁明了。莱布尼茨的大陆符号由于民族主义情绪和刻板印象而没有在英国普及,这也在一定程度上导致了英国数学的滞后发展。

在大学期间,巴贝奇与威廉·威廉·惠威尔、约翰、约翰·赫歇尔和乔治·皮科克交了朋友。他们将来也成了著名的学者。威廉·惠威尔成为三一学院的校长。赫歇尔被封爵,并在天文学上取得了巨大成就。孔雀成了神学家。他们与巴贝奇保持了多年的交流和友谊。1812年巴贝奇、赫歇尔和孔雀共同创立了分析学会,致力于莱布尼茨符号在英国的普及。尽管直到1817年剑桥大学才慢慢开始他们所期望的改革,但当分析学会已经解体时,他们的努力反映了他们的远见和改革的需要。

查尔斯·巴贝奇

事实上,在19世纪初的英国,除了数学以外的所有领域都开始表现出滞后的弱点,人们对社会现实的不满也在积累。在学术界,大学仍然像几个世纪前一样把培养绅士和神职人员作为他们的首要目标,他们的主要教学内容是神学和古典文学。自然科学研究仍然被认为是“绅士的兴趣”,而不是一个专业领域,因为它需要大量的开支和时间,而且缺乏报酬。与此同时,最初由格雷厄姆学院(Graham College)教授为振兴科学而创立的皇家学会,由于大量非研究者,逐渐成为贵族社会的社交场所。当然,这并不意味着科学研究像死水一潭一样停滞不前。随着工业革命后工业城市的蓬勃发展,许多地方文学和哲学协会已经成立。这将在英国科学促进协会(2009年更名为英国科学协会)的建立和发展中发挥重要作用,但此时任何改革尝试都必须经受住众多障碍。

正是在这个时代背景下,巴贝奇在1822年开发了一种“差分引擎”,它可以在100,000以内独立完成三组加法,无需任何人工计算。当他们还是学生的时候,巴贝奇和赫歇尔意识到当时航海图和天文数据表中有许多错误。这是因为表格中的数据需要进行大量冗长乏味的计算。虽然用了大量的人力反复检查,但计算错误还是一个接一个地出现。巴贝奇设计了差动装置来解决这个问题。因此,他向皇家海军申请资金,以建造一个比原型更大、更强大的差速器。用它制作数据表,结果会非常准确。在他的想法中,新的差分单元可以执行20位数的六项运算。然而,差别单位的发展只是他长期斗争的开始。

差分单元的完成部分,1832

无助和愤怒

巴贝奇没有像威廉·惠威尔那样稳定的收入,也没有像赫歇尔那样富有到永远不会被金钱所困。直到他的父亲在1827年去世,他一直“不变老”,依靠父亲的津贴维持生活。1828年,剑桥大学卢卡斯教授的名誉职位出现空缺。赫歇尔在天文学上享有很高的声誉,他立即成为所有人心目中的第一候选人。然而,赫歇尔尽力选举巴贝奇。在他的游说下,巴贝奇在100多年前成功地登上了牛顿的宝座,并一直在位到1839年。1827年,由于父亲的去世,巴贝奇在一位朋友的建议下,暂时搁置了持续了几年的差分单元的开发,并前往欧洲各国。媒体对巴贝奇花巨资设计机器的目的表示怀疑。赫歇尔挺身而出,公开支持巴贝奇和他未竟的事业。

约翰·赫歇尔

但是巴贝奇和赫歇尔之间的友谊很快破裂了。1829年,他开始写《对英国科学衰落及其原因的反思》一书,该书于1830年出版。在书中,他认为只有最富裕阶层的孩子才能从事科学工作的现象阻碍了科学的发展,并指出“英国的科学发展远远落后于法国、德国等欧洲强国,甚至比一些欧洲小国更差,尤其是数学等更难和抽象的科学范畴。”他还指责皇家学会,尤其是时任主席戴维斯吉尔伯特。他说:“(吉尔伯特)是一个‘合适的(总统候选人)’足以被称为奉承。说他“目前最合适”只能理解为他的支持者一直容忍的赞美、奉承和其他类似行为。

巴贝奇曾将手稿寄给赫歇尔,赫歇尔在1829年一篇论文的脚注中表达了对英国科学研究现状的不满。赫歇尔不建议巴贝奇出版这个有争议的内容,并建议他烧掉手稿。巴贝奇视而不见,引用赫歇尔的注释来支持自己。赫歇尔被迫这样做,他只能公开表示,他不同意书的内容,以证明他是无辜的。

有些人也支持巴贝奇,但那时他还不能掀起任何波澜。我是大卫·布鲁斯特。他主要从事光学研究,但一生未能获得教学职位,他的科研活动也没有经费。因此,巴贝奇的不满被他更深地感受到了。布鲁斯特自1827年以来一直在爱丁堡科学杂志上发表政府对科学研究的资助。巴贝奇的书出版后,他还写了书评赞扬其内容。布鲁斯特没有教职,尽管巴贝奇被尊为卢卡斯教授,但这也要归功于赫歇尔。赫歇尔和威廉·惠威尔以及牛津和剑桥的其他教授反对巴贝奇的书。然而,反对派很快成为改革的推动力。

为未来播种

当巴贝奇的差分单元设计进入瓶颈时,布鲁斯特联系了约克哲学协会,希望在约克举行一次英国科学家会议。它的目的是让科研人员相互了解,同时让更多的公众对科学感兴趣,从而加快科学的发展。这些想法成为英国科学促进协会成立的核心,很快吸引了赫歇尔、威廉·惠威尔、理查德·琼斯等人的参与,尽管他们最初对1831年的《约克公约》持观望态度,并没有参与。

科学促进协会在科学分类方面比皇家学会更详细,使那些不断专业化的科学家能够找到自己的位置,同时设立基金来支持缺乏资金的项目。同样,在1834年的会议上,威廉·惠威尔正式提出了“科学家”的概念。从事科学工作的人并不局限于“博物学家”这一特定类别,这也标志着科学专业化的新的一步。

威廉·威廉·惠威尔

在此期间,巴贝奇花费了23,000英镑(几乎相当于19世纪一艘战舰的价格)后,扩建项目无法完成,但他积极参加了科学进步协会的各种会议,并有了新的计划。巴贝奇在1834年基本上停止了大型差动装置的开发(但直到1842年政府才公开宣布放弃该计划),他决定开发另一台大型机器,即分析机器。

根据设计,分析仪将有一个Babbage称为“store”的齿轮寄存器来存储数字信息。穿孔纸用于输入和输出程序。Babbage有一个名为“store”的齿轮寄存器、一个名为“mill”的中央处理器和一个控制操作顺序的控制器。用打印纸实现的输出和读取装置。可以说,除了使用机械部件代替电子电路之外,分析仪几乎是现代计算机的原型。由于巴贝奇的女儿乔治娜在1834年不幸去世,这个伟大的想法直到1835年才得以实现。就像在扩大差别时一样,巴贝奇再次投入了大量的金钱和心血,他们的成果非常相似,由于投资中断而无法完成。

分析仪设计图的一部分,1840年

然而,巴贝奇在他对精确程序的研究中也提出了一个新的神学理解:他想象上帝已经设计了一个完美的程序来自主运行(就像他试图做的那样),之后发生的一切都依赖于程序的自主运行,不受上帝的实时干预。在巴贝奇家族的社交聚会上,上层社会各阶层的人都有机会接触到他的想法和设计。一个年轻人也是巴贝奇的常客。1836年,他刚结束全球地质旅行回到伦敦,很快成为地质学领域的新星。他的名字叫查尔斯·达尔文。可以说巴贝奇的想法至少在某种程度上帮助达尔文在残酷的自然选择中构建了生物进化的逻辑,这样他就可以用一种机制来解释残酷的自然竞争,而不是一些物种被仁慈的上帝自愿淘汰。

另一方面,科学促进协会的进步最终迫使皇家学会在1847年完成了自己的改革,限制了皇家学会每年的会员人数,并公开投票,这样席位将会归还给真正的学者,而不是无条件地接受那些想凭人情获得席位的人。然而,推动科学改革离巴贝奇越来越远。1837年,威廉·威廉·惠威尔出版了《归纳科学史》,书中评论说数学家的工作缺乏众所周知的创新。这激怒了巴贝奇,并公开攻击威廉·惠威尔。尽管威廉·惠威尔不再回应,但两者之间的关系已经不一样了。巴贝奇也逐渐停止参加各种科学会议。

可能性纪念碑

1859年,巴贝奇青年达尔文也进入了中年。经过十多年的深思熟虑,他终于发表了震惊世界的《物种起源》。科学界也欢迎新一轮的冲击。然而,达尔文很幸运。如果促进科学协会的成立和皇家学会的改革不允许专业科学家重新控制自己的声音,他肯定会面临来自公众舆论的更大压力。这与巴贝奇的吸引力、布鲁斯特的晋升以及威廉·惠威尔、赫歇尔等人的积极参与密不可分。

达尔文与“物种起源”

1871年10月,活得够久的巴贝奇分别在1866年3月和1871年5月见证了威廉·惠威尔(william whewell)和赫歇尔(Herschel)的死亡,最后带着极大的遗憾独自死去。学术界一直在争论巴贝奇未能完成差动装置和分析机器的根本原因:是资金不足,还是维多利亚时代的工业技术不足以实现巴贝奇的设计精度?直到1991年巴贝奇诞生200周年,这个问题的答案才揭晓。

自1986年以来,英国科学博物馆的技术团队根据图纸修复了巴贝奇的差速器。为了验证巴贝奇设计的可行性,修复团队只使用维多利亚时代的所有技术条件按照原始图纸制作零件。最终的结果是令人满意的:五年后,花费了近30,000英镑,引入了差价。尽管这种纯粹机械驱动的计算工具长期以来没有实际意义,但它证明了维多利亚时代的工业技术已经能够满足巴贝奇的想法。如果他有足够的钱,他可能已经完成了分析机器,从而加快了计算机发展的速度。第一台真空管电子计算机的设计者之一霍华德·艾肯(Howard aiken)曾经哀叹,如果巴贝奇活到今天,他就会失业。

巴贝奇绝不是一个幻想家或先知。在这两个方面,他都没有超越自己的历史局限性:他的设计符合维多利亚时代工业技术所能达到的范围;这个想法没有得到更多政府资金的支持。想象一下,如果在20世纪60年代美国和苏联之间没有太空竞赛,人类对宇宙的探索将会是没有财政支持的空谈。这种比较再次凸显了巴贝奇时代的特征。尽管专业科学发展迅速,但仍处于初级阶段。然而,他不是一个伟大的先驱。今天在网络时代,他在计算机程序概念上坚持不懈的探索精神和远见仍然令人震惊。巴贝奇和他的当代科学家生活在一个把过去和未来联系在一起的时代:他们不仅是时代局限性的产物,也是科学从兴趣到专业的见证人和推动者,成为照亮未来的明灯。

参考材料

巴贝奇,查尔斯。对英国科学衰落及其原因的思考1830

分析学会(1812-1813):剑桥数学复兴的先驱。历史数学10 (1983)

哲学早餐俱乐部:改变科学和改变世界的四位杰出的朋友。百老汇图书,2012年

科尊科《英国科学促进协会的建立》自然辩证法通讯2010年第3期

蒲根祥、钱辉《查尔斯·巴贝奇——计算机史上误判的先驱》,《自然辩证法通讯》,第18卷,第101期

张志群《计算机先驱巴贝奇》自然杂志第21卷第2期

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