Пинбол-эффект. От византийских мозаик до транзисторов и другие путешествия во времени - Джеймс Бёрк

С одиннадцатилетним солнечным циклом была связана еще одна интересная особенность. В полном соответствии с ним, циклически изменялась погода. В начале 1930-х годов молодой американец Джон Мокли, преподаватель физики из колледжа Урсинус, решил проанализировать эту закономерность с экспериментальными данными в руках. Еще будучи студентом Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, Мокли каждое лето на каникулах работал в метеослужбе Национального бюро стандартов. Там он узнал, что несмотря на более чем столетнюю историю сбора данных прогнозов погоды в США, их никто никогда не анализировал. По мысли Мокли, эти цифры могли дать основу для долгосрочных погодных моделей, которые, возможно, помогли бы в предсказании засух, затяжных дождей или других разрушительных для экономики погодных феноменов.

На обработку такого массива данных ушло бы колоссальное количество времени, если бы не нашелся более быстрый способ для таких громоздких вычислений. В 1934 году Мокли приехал в Чикаго в Институт Бартольда, директор которого дружил с его отцом. Там он наблюдал работу физиков, занятых исследованием космического излучения. Для регистрации частиц физики использовали вакуумные трубки, которые очень быстро реагировали на поступающий сигнал и регистрировали до ста тысяч частиц в секунду. Этот метод, понял Мокли, можно приспособить для вычислений в прогнозировании погоды. Однако разразившаяся Вторая мировая война переключила его внимание на темы, весьма далекие от погоды.

В начале войны дела в военной промышленности союзников продвигались слишком уж хорошо. Проектно-конструкторские бюро разрабатывали новое оружие почти каждую неделю. Это были новые типы взрывчатки, новые винтовки, прицелы, боезаряды и многое другое. Новые технологии еще больше усложняли и без того непростой процесс выстрела, который зависит далеко не только от нажатия на курок.

При выстреле из любого оружия на точность попадания в цель влияет уму непостижимое множество факторов: тип оружия, тип патрона, тип метательного взрывчатого вещества, тип ствола, скорость сгорания взрывчатого вещества, тип капсюля, тип гильзы, давление газов в стволе, давление газов на выходе из ствола, сила отдачи, скорость пули, трение пули на выходе из ствола, состояние канала ствола, деформация ствола при взрыве, плотность воздуха, наличие пламегасителя, сопротивление воздуха при полете пули, ударные волны, вызванные пулей, трение пули о гильзу, форма пули, угол траектории, скорость вращения пули, масса пули, температура воздуха, направление и скорость ветра, влажность, сила тяжести, высота цели, тип цели, вид поражения и угол поражения. Кроме того, на большинство этих факторов влиял рельеф местности, где производилась стрельба, вращение Земли и положение Луны!

Учитывая все эти сложности, очевидно, что для правильного ведения огня требовался точный математический расчет. Данные предоставлялись в виде небольшого буклетика, который прилагался к каждой винтовке, автомату или орудию. В нем приводились таблицы с информацией о том, как ведет себя оружие при всех возможных условиях. Для оружия, производившегося в США, такие таблицы рассчитывались группой женщин-математиков в Баллистических лабораториях238 — 118 в Абердине, в штате Мэриленд.

Перед ними стояли нечеловеческие задачи. Для расчета одной типовой траектории требовалось произвести семьсот пятьдесят вычислений, а в каждую таблицу входило более трех тысяч траекторий. Женщинам, на вооружении которых были только механические калькуляторы, требовался месяц работы, чтобы рассчитать одну такую таблицу, а в 1944 году в лабораторию приходило по шесть новых запросов на расчеты в день. Чтобы оружие союзников успешно поражало цели, требовался более эффективный способ расчетов.

В 1942 году несколько женщин из лаборатории были отправлены на курсы в Электротехническую школу Мура в Филадельфии, где преподавал Джон Мокли (одна из девушек-математиков вышла в итоге за него замуж). Мокли пришло в голову, что этому арифметическому безумию, возможно, удалось бы положить конец с помощью некой машины, которая могла бы прибавлять, отнимать, умножать и делить, а затем сохранять результаты в памяти для дальнейших вычислений. Ключевой функцией было сохранение в память, поскольку большинство ошибок в расчетах случалось именно на этапе извлечения заранее подсчитанных данных для следующей стадии вычислений. Машина, которую задумал Мокли, должна была работать очень быстро. Он уже использовал подобное устройство в своих расчетах погоды. Это были вакуумные трубки ученых-физиков, которые могли регистрировать попадание ста тысяч космических частиц в секунду.

В 1942 году он направил военному начальству меморандум с победоносным заголовком «Использование высокоскоростных вакуумных трубок для математических расчетов», но начальство проигнорировало документ или попросту потеряло его. В 1943-м запрос был подан повторно, и на этот раз его приняли к рассмотрению. Проект стартовал, и вместе с Мокли за него взялся его коллега Джон Преспер Эккерт. Результатом стал Электронный числовой интегратор и калькулятор (ЭНИАК[18]), впервые пущенный в действие в школе Мура в 1946 году, увы, слишком поздно, чтобы помочь вычислениям для нужд фронта.

Машина обошлась в восемьсот тысяч долларов и имела гигантские размеры: тридцать метров в длину, три метра в высоту и метр в глубину. В ее основе было около восемнадцати тысяч вакуумных трубок, а потребляла она 174 киловатта. Ходила шутка, что, когда включался ЭНИАК, огни Филадельфии меркли.

Процедура включения аппарата перед каждым вычислением была трудоемкой и долгой, поэтому операторы прозвали его «адской машиной». Однако сколь ни громоздким был ЭНИАК, он повлияет на жизнь каждого человека на Земле. А пока — нудные подробности. В конструкции применялись вакуумные трубки, сгруппированные по десять штук, группы соответствовали единицам, десяткам, сотням и так далее. На группы подавались электронные импульсы. В каждой группе определенное число импульсов включало такое же количество трубок. То есть четыре импульса в «единицы» включало четыре трубки, а два импульса в «десятки» — две. Таким образом в память заносилось число 24. Чтобы прибавить к нему 15, нужно было включить еще одну трубку в «десятках» и еще пять в «единицах». Для получения итоговой суммы трубки выключались и подсчитывалось число импульсов для полного их обнуления. В нашем случае это три импульса в «десятках» и девять в «единицах», то есть 39. Время прохождения каждого импульса составляло 0,02 миллисекунды.

Описание звучит сложно, однако ЭНИАК в течение дня мог обсчитать столько данных, сколько одна сотрудница абердинской лаборатории обрабатывала за год. В честь женщин-математиков, на смену которым пришел аппарат, его назвали по описанию их должности в штатном расписании — компьютер. Первая его задача изменит мир — это будет математическое моделирование детонации первой водородной бомбы. Вычисления длились несколько месяцев, и в результате 1 ноября 1952 года маленький остров атолла Эневейтак в Тихом океане превратился в пар. Началось все это, как мы помним, с сельскохозяйственных затей Джетро Талла. Орало было перековано в меч.

В гораздо большей степени мир изменило малюсенькое устройство, изобретенное потому, что хрупкие вакуумные трубки ЭНИАКа оставляли желать много лучшего…

15

Новая гармония

Иногда события в паутине перемен проходят путь, описывающий полный круг. Один из таких путей начался с открытия, в котором встретились все признаки идеальной технологии: она должна быть вездесущей, ориентированной на пользователя и восприниматься как нечто само собой разумеющееся.

В 1940-е годы самой большой опасностью для экипажей самолетов Б-29 были не снаряды вражеских зениток, рвущиеся вокруг, а маленькие вакуумные трубки, отвечавшие за полет самолета и его курс. На борту Б-29, как и на многих образцах военной техники того времени, были тысячи таких трубок, и если бы хоть одна из них вышла из строя, то мало никому не показалось бы. Беда заключалась в том, что от этих трубок зависело все электрооборудование, они выступали в качестве выключателей и усилителей для обогревателей, инструментов, радиоаппаратуры и двигателей.

В вакуумной трубке от горячего элемента накаливания239 — 38, 52 к металлической пластинке-основанию шел поток частиц. Он усиливал слабый электрический заряд (радиосигнал или ток от батарей). К сожалению, стеклянные вакуумные трубки легко бились, нити накаливания были подвержены коррозии и рвались, нарушалась герметичность трубок. Все это могло привести к неисправности переключателей, в которых были установлены трубки, а как следствие — и к поломке всего агрегата (двигателя или радиостанции). Кроме того, для разогрева вакуумных трубок требовалось время, что представляло собой еще один недостаток. Даже несколько секунд задержки имели огромное значение, если трубки служили, например, усилителями в судовом оборудовании для предупреждения торпедного удара. Неудивительно, что активно велись поиски более надежной и быстродействующей альтернативы вакуумным трубкам.