Текст книги "Чудеса техники"

Когда появились счетные машины?

Овладение счетом – тоже гигантский скачок в развитии человечества. Ведь надо было суметь отвлечься от конкретных свойств тех или иных предметов и оперировать только их количеством, научиться изображать это количество с помощью каких-то знаков, разработать правила обращения с ними.

Взгляните на рисунок. На нем построчно показано, как изобразили бы одно и то же число в Древнем Египте (первые две строки), в Вавилоне, в Греции эпохи Гомера, ниже – времен Перикла, в средневековой Европе и – сейчас. Очевидно, что обращаться с такими записями могли достаточно ученые люди. А вот какие технические приспособления призывали они на помощь, чтобы управиться со счетом?

Видимо, первыми из них были палочки или камушки. Переставляя и комбинируя их, человек производил простейшие вычисления. До нашего времени дошли счеты. Порой на них и сейчас учат первым арифметическим действиям в школе. А кое-где можно увидеть пожилую кассиршу или бухгалтера, щелкающих костяшками счетов.

Да ведь с такой скоростью далеко не уедешь! Верно, поэтому попытки механизировать счетный процесс предпринимались давно. Знаменитый математик XVII века Г. В. Лейбниц писал: «Недостойно одаренному человеку тратить, подобно рабу, часы на вычисления, которые безусловно можно было бы доверить любому лицу, если бы при этом применить машину».

В шестидесятых годах нашего столетия в Национальной библиотеке Мадрида обнаружили неопубликованные рукописи Леонардо да Винчи. Среди чертежей находился эскиз суммирующего устройства с десятизубыми колесами – вы его видите на рисунке.

Фирма IBM изготовила его в рекламных целях, и оно оказалось работоспособным!

Так что уже в XV веке, чтобы упростить утомительные и сложные вычисления, стали пользоваться арифмометрами. Поначалу громоздкие и малоэффективные, со временем они совершенствовались и стали незаменимыми помощниками любого расчетчика.

Что представляли собой эти устройства? Наблюдательный вычислитель мог подметить, что любое арифметическое действие состоит из ряда последовательно выполняемых операций. Сейчас мы называем это программой. Вот механическому аппарату, состоящему из набора зубчатых колес, и поручалось выполнять вместо нас эти операции, выдавая на табло результат. Необходимо только поставить перед машинкой задачу – ввести данные – и несколько раз крутануть ручку.

Изобретались также счетные линейки, одна из которых – логарифмическая – была на вооружении вплоть до последних десятилетий, когда ее повсеместно вытеснили электронные калькуляторы и компьютеры. А их появление определялось становлением таких новых областей науки и техники, как электроника и производство новых материалов. Но до этого должно было пройти не одно столетие с момента появления первых механических арифмометров.

Отметим только, что электронно-вычислительные машины пользуются двоичной системой счисления, в ней всего две цифры – 0 и 1. С ее помощью можно производить любые известные нам математические операции, только организованы они будут по иным правилам. К двоичной системе мы еще вернемся, а пока для примера запишем в ней число 1967. Вот как оно будет выглядеть – 11110101111.

Как передает сигналы электричество?

Существовали различные способы передачи информации на расстояние. К примеру, нарисованный в начале этой главы оптический телеграф пользовался особой азбукой. А именно: сообщение подавалось служителю телеграфа, он кодировал его в набор сигналов, передаваемых подъемом и опусканием похожих на небольшие шлагбаумы устройств, укрепленных на крыше башенки. Его коллега, сидя в соседней башне, построенной в пределах прямой видимости, увидев эти взмахи, повторял их. Это видел третий телеграфист и так далее по цепочке.

Конечно, сейчас такой способ связи кажется несовершенным и примитивным, однако лет двести назад он опережал по скорости любой другой. Правда, для работы этих телеграфов требовалась ясная погода, да и ошибки были не исключены. Или, как это сделал граф Монте-Кристо в романе Дюма, телеграфиста можно было подкупить, чтобы он передал ложное сообщение.

Эх, если бы передавать телеграммы можно было, невзирая на погоду и с меньшим числом посредников! Подобное желание долгое время оставалось голубой мечтой, но после ряда открытий в области электричества и магнетизма, ознаменовавших начало XIX века, оно стало осуществимым. Идея изобретения проста: нажимая на рычаг передающего аппарата, вы замыкаете электрическую цепь. Бегущий по проводам ток приводит в действие электромагнит на другом конце линии. А тот или заставляет звенеть звонок, или прижимает на мгновение к протягиваемой ленте карандаш, оставляющий на ней след.

Каждая буква алфавита была зашифрована определенной комбинацией коротких и длинных сигналов (точка и тире), с помощью которых можно было передать любое письменное сообщение. Новый телеграфный язык получил название «азбука Морзе».

Еще раз заметим, что вместо точек и тире можно использовать и нолики с единичками. Иными словами, последовательности этих цифр также могут нести информацию.

А электромагнитный телеграф, стуча «морзянкой», начал осваивать пространство. В 1838 году он был использован для передачи сигналов вдоль железнодорожной линии длиной 20 километров, через тридцать лет протяженность телеграфных линий в одной только Англии превысила 25 000 километров!

Когда же телеграфный кабель был уложен по дну Атлантического океана, стало ясно, что впервые в мире установлена практически мгновенная и высоконадежная связь между континентами. Электричество оказалось способным передавать не только энергию, но и информацию.

Легко ли «отпечатать» звук?

По всему миру стали протягивать линии телеграфной связи. Конечно, возможность отправить «электрическое» сообщение за тысячи километров и довольно быстро получить ответ не ликвидировала почту, хотя бы потому, что была более дорогим «удовольствием».

Однако рост скорости обмена информацией существенно повлиял на дальнейшее развитие средств связи. Сказалось еще и то, что можно удешевить телеграфную связь, укладывая всего лишь один провод, поскольку роль второго, замыкающего телеграфную цепь, взяла на себя земля – хороший проводник электричества.

Но человек не мог остановиться и на этом. Его не устраивала сложность кодировки и расшифровки письменной речи. Возможно, поэтому телеграф не вытеснил почту сразу и целиком. Получить подробное письмо, в котором сохранялись индивидуальные черты отправителя, было не менее важно, чем лаконичную деловую телеграмму. Но еще более соблазнительной была идея передать живую речь.

Эту задачу удалось решить Т. Эдисону. Учитывая, что звук распространяется волнами и может приводить в колебание предметы, как, скажем, голос певца заставляет порой дрожать люстру, изобретатель решил зафиксировать эти колебания. Для этого он приспособил иглу, соединенную с мембраной, колеблющейся в такт с произносимыми звуками. Расположив под иглой вращающийся валик, покрытый воском, Эдисон фиксировал на нем движения иглы. Оказалось, что таким образом звук можно «консервировать»!

Теперь, поставив иглу к началу прорезанной ею в воске дорожки и приведя валик в движение, можно было заставить иглу и мембрану повторить колебания, совершенные при записи. Все происходило как бы в обратном порядке. Вибрирующая мембрана «возвращала» записанные ею звуки. Так родился фонограф.

Эдисон не мог удержаться от ликования: «Я прокричал фразу, и машина воспроизвела мой голос. Никогда в моей жизни я не был так поражен!»

Легко представить, что подобная форма хранения звуковой информации была не идеальной. Система запечатлевала не все звуки, а, главное, дорожка быстро снашивалась и возникало много помех при звучании, а потом она и вовсе стиралась.

Но это был только первый шаг. На смену фонографам и восковым валикам пришли граммофоны, затем патефоны, пластмассовые диски, электропроигрыватели и… вплоть до mp3. Прогресс в средствах записи и воспроизведения звука достиг к нынешнему дню феноменального уровня.

Что же касается попыток передать живую речь на расстояние без помощи валиков, а непосредственно, сразу, то они стали успешно осуществляться буквально в то же самое время, когда был изобретен фонограф. Даже на год его опередили…

Где впервые зазвонил телефон?

Эта история упомянута практически везде, где речь идет о великих достижениях человечества. Американский врач Александр Белл занимался созданием аппарата, с помощью которого пытался научить разговаривать глухих, сделав для них видимыми звуки речи. В помещении лаборатории он заметил случайно пролитую жидкость. Чтобы убрать ее, Белл позвал своего помощника, находившегося в соседней комнате. Фраза, произнесенная им, обозначила рождение знаменитого изобретения. Слова «мистер Уотсон, вы мне нужны» понеслись не только по воздуху, но были услышаны и с помощью аппаратуры, размещавшейся в комнатах.

То, что последовало за этим, можно сравнить лишь с обвалом или водопадом – такой последовал поток изобретений и усовершенствований нового вида связи. Через четыре года дальность передачи по телефону была доведена до 72 километров. Еще через 10 лет в США насчитывалось 250 тысяч аппаратов. В 1892 году была установлена телефонная связь между Нью-Йорком и Чикаго, а это уже свыше 1400 километров.

Препятствием для увеличения дальности передач служило затухание сигнала. Однако в начале XX века, когда были изобретены электронные лампы-триоды, их использование в качестве усилителей устранило эту проблему. Накануне Первой мировой войны длина линии телефонной связи между двумя пунктами достигала уже четырех тысяч километров.

Но только в 1930 году мировая телефонная сеть переросла по масштабам телеграфную. Более полувека потребовалось, чтобы преодолеть сопротивление крепко стоящих на ногах телеграфных компаний. Ведь еще в 1876 году, сразу после изобретения Белла, одна из них вынесла приговор: «У этого «телефона» слишком много недостатков, чтобы серьезно рассматривать его как средство связи. Это устройство не имеет для нас никакой ценности». Телефон еще долго должен был доказывать свои преимущества. Нуждается ли он в этом теперь?

Сегодня в наших домах стоят телефонные аппараты, мало напоминающие своих дедушек, но сохранившие элементы, которые выдают родственные отношения. Мы говорим в микрофон, преобразующий звуки голоса в электрические сигналы, бегущие по проводам. А наш собеседник слышит звуки, воспроизводящие наш голос, с помощью того, что является телефоном. Это вновь мембрана, покорно следующая за колебаниями электрического тока.

Однако в нашем обиходе появляется все больше беспроводных телефонных аппаратов. Каким же образом звук передается и принимается ими?

А вот это – уже следующая страница необыкновенно богатой событиями истории средств связи.

Возможна ли связь без проводов?

По кабелю, проложенному под землей или по дну океана, а также подвешенному между столбами, можно «дотянуться» фактически до любой точки земного шара и установить с ней телеграфную или телефонную связь. Одно условие: эта точка должна быть неподвижной. Конечно, можно взять в руки телефонный аппарат и расхаживать с ним по квартире, сколько хватит провода. Но представьте себе, что вы находитесь на плывущем в открытом море корабле или летите на самолете. Как связаться с вами?

Идея беспроводной, или, как ее называли в начале XX века, беспроволочной, связи на рубеже XIX и XX веков воплотилась в реальность. На помощь пришли электромагнитные волны.

Открытые во второй половине XIX века теоретически, они были вскоре обнаружены опытным путем. Волны эти на самом деле не представляют собой чего-то экзотического. Ведь знакомый нам с рождения солнечный свет, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, с которыми мы иногда имеем дело в поликлинике, да и тепловые (инфракрасные) лучи, переносящие к нам энергию от батареи отопления, – все это электромагнитные волны, как бы они между собой ни разнились. И радиоволны, с помощью которых удалось осуществить связь без проводов, имеют ту же природу.

Как же действует радиосвязь? Электрические колебания, ранее передававшиеся по проводам, в этом случае при помощи передающей антенны преобразуются в радиоволны, которые как в воздухе, так и в вакууме распространяются со скоростью света. Достигая приемной антенны, радиоволны вновь преобразуются в электроколебания, идентичные отправленным. Проблема только в том, чтобы ослабевшие из-за рассеяния радиоволн колебания усилить и подвести к телеграфу или телефону.

Изобретенные довольно скоро после создания первых простейших передатчиков электронный диод, а затем и триод (усилитель) дали ключ к созданию современного радио.

Ламповые приемники стали особенно активно использоваться в годы Первой мировой войны. Передача речи оказалась возможной на расстояние свыше трехсот километров. Скачок в развитии этого вида техники был настолько значительным, что уже в 1920 году началось систематическое радиовещание.

Сейчас, когда с помощью радиоволн могут связаться между собой и наземные, и летающие в воздухе, и космические объекты, трудно даже вообразить, что радио исполнилось уже больше ста лет.

Отметим также, что благодаря многим связанным с ним изобретениям фантастически преобразились и средства вычислительной техники.

Как связь помогла вычислительной технике?

Что вы делаете, когда хотите, к примеру, сложить с помощью калькулятора два числа? Несколько раз нажимаете на кнопочки – и на табло появляется результат. А ведь еще не столь давно – чуть более полувека прошло – выполнение такого простого действия с помощью ЭВМ требовало немало времени. Сама-то машина считала быстро, эту операцию она выполняла за треть секунды, но ввести и вывести из нее информацию было делом значительно более долгим.

Поэтому спрос на производство подобных машин особенно вырос, когда потребовалось выполнять не действия типа дважды два, а огромные по объему вычисления, скажем, для управления артиллерийским зенитным огнем. То, что требовало от человека десятков часов трудоемких расчетов, машина делала всего за тридцать секунд. А возникли подобные устройства во время Второй мировой войны, когда развитие радиотехники наконец-то позволило их создать.

Принципы же их действия были заложены на сто лет раньше, когда английский математик Чарльз Бэббидж разработал принцип автоматизации процесса вычислений. Однако, имея в наличии лишь зубчатые колесики, создать практически действующую машину он не смог.

В 40–50-е годы XX века это были исполинские, занимавшие по нескольку комнат, сложные по своему устройству ЭВМ. Их основой были электронные лампы, требующие для работы немало энергии, хрупкие и не слишком надежные.

Началась многолетняя борьба за повышение быстродействия и уменьшение размеров ЭВМ. И шла она хоть и с большими трудностями, но необыкновенно быстрым темпом. С 1948 года на смену лампам пришли полупроводниковые приборы – транзисторы. Новые материалы, из которых они были изготовлены, позволяли создать намного меньшие по размерам устройства, способные работать по логике и на языке электронно-вычислительных машин. Иными словами, они могли пропускать или задерживать электрические сигналы, что соответствовало передаче цифр – единиц и нулей, – усиливать эти сигналы, а результаты промежуточных операций хранить в памяти.

Постепенно совершенствовались и средства ввода и записи информации. Например, перешли от бумажных носителей – перфокарт – к магнитным лентам, от магнитных лент к магнитным дискам, благодаря чему не нужно было просматривать весь банк данных в поисках нужных сведений.

Отдельные полупроводниковые элементы научились уменьшать и объединять в большие группы, так называемые интегральные схемы, а затем – в сверхбольшие интегральные схемы. Наряду с еще более увеличившейся плотностью записи информации, это и привело к тому, что вычислительная техника становилась микроминиатюрной.

Появились современные компьютеры, ноутбуки, планшеты. Теперь они требуют мало места, все меньших затрат энергии, делаются более удобными в обращении, справляются с объемом работы, который был бы не по плечу первым вычислительным гигантам.

Мозаика изобретательства

• При проведении раскопок в Сирии были обнаружены несколько камней с пиктограммами – абстрактными значками, имеющими связное значение, но более примитивными, чем письменный текст. Судя по возрасту находки – около десяти тысяч лет, – это недостающее звено между наскальными рисунками и более поздним клинописным письмом.

• Наследники афинян пергамцы собрали библиотеку, соперничающую с самой большой в мире на то время – Александрийской. Пытаясь лишить Пергам материала для книг, египетский царь Птолемей запретил во II веке до н. э. поставлять в него папирус. Однако это привело… к появлению пергамента, который находчивые жители изготавливали из очищенных известью и обработанных мелом шкур.

• Персидский царь Кир, правивший в IV веке до н. э., держал на службе 30 тысяч человек, именуемых «царскими ушами». Расставленные в пределах слышимости друг друга, они голосом передавали сообщения для царя, а также его приказания. За день такие известия переносились на расстояние тридцатидневного перехода.

• В государстве инков была введена строгая система учета – и людей, и земли, и длины дорог, и числа домов. Для этого потребовалась целая армия служителей, ведущих расчеты с помощью узелков на веревочных шнурах.

• Самый древний из печатных текстов, который датируют началом XIII века, был найден в 1966 году и представлял собой буддийский молитвенник на китайском языке.

• Суть изобретения Гутенберга заключалась в изготовлении литер – отдельных металлических букв, из которых составляли слова, строки и страницы, а затем одним нажимом получали оттиски. Набор после печати можно было «разбить» и подвижные литеры использовать многократно.

• Спроектированная в 1834 году английским математиком Ч. Бэббиджем счетная машина не была превзойдена даже через сто лет, когда уже появились первые электромеханические вычислительные устройства.

• Прокладка трансатлантического телеграфного кабеля вызвала интерес в возможности связи между континентами под водой. Но и после долгих объяснений специалистов неискушенные слушатели спрашивали: «Почему же все-таки телеграммы доходят сухими?»

• Стоило А. Беллу начать продажу изобретенных им аппаратов, как в газетах ему предъявили обвинения в шарлатанстве, сопровождаемые комментариями типа: «Утверждение, что человеческий голос можно передать по обычному металлическому проводу с одного на другое место, является в высшей степени смешным…»

• Изобретатель Гренвилл Вудс, нашедший способ телеграфной связи между идущими поездами и диспетчером, введший подвесные контактные провода для электротранспорта, сейчас мало кому известен. А ведь он был автором 150 патентов и дважды с успехом отстоял свое первенство, судясь с самим Эдисоном.

• «Это разрушит все, что мы с таким трудом создали. Трудно вообразить себе более удобный инструмент для контрреволюции и заговорщиков, чем это», – такова была резолюция И. Сталина на проекте модернизации телефонной связи в России начала двадцатых годов.

• В 1920 году эксперты дали следующее заключение о предложении вложить капитал в развитие американского радиовещания: «Эта говорящая коробочка без проводов не имеет никакой коммерческой ценности. Кто будет платить за сообщение, никому конкретно не предназначенное?»

• Прообразом современных параболических антенн, усеявших сегодня балконы и окна многих домов, послужили направленные антенны, начавшие применяться для радиолокации самолетов с тридцатых годов.

• Однажды американский радиоастроном Ф. Дрейк предложил своим коллегам расшифровать «космическое сообщение», состоящее из одних лишь нулей и единиц. Как выяснилось, с их помощью можно составить картинку, гораздо более понятную и информативную, чем при любом ином способе передачи данных.

• Из шутливого прогноза: через четверть века увенчается успехом программа СЕТИ, направленная на установление контакта с инопланетянами. Полученное из созвездия Андромеды послание в переводе на человеческий язык будет звучать так: «Привет, есть там кто-нибудь, а?»

• Оживление среди сторонников гипотезы о существовании внеземных цивилизаций вызвала информация о приеме радиотелескопом сигналов, идущих от четырех весьма удаленных от нас звезд на частоте, используемой землянами именно для целей связи.

• Некоторые программисты считают, что естественные языки обладают чрезвычайной избыточностью. В качестве примера приводят такую фразу: «Даж есл нсклко бкв вбрсть, эт прдлжн ещ мжн прчть».

• «Я думаю, мировой рынок компьютеров вряд ли когда-нибудь превысит 5 штук», – заявил не кто иной, как Т. Уотсон, председатель Совета директоров компании IBM. Именно эта компания приступила в 1981 году к массовому выпуску персональных компьютеров, а к сегодняшнему дню прибыль от их продажи превысила прибыль от торговли телевизорами.

• Первый полностью компьютерный архив создан в библиотеке штата Орегон (США). Любую его страницу можно извлекать и делать доступной для всех. А в Национальной Британской библиотеке с помощью компьютерного каталога за считанные минуты можно получить ответ, например, на такой экзотический вопрос, как «сколько в мире книг, посвященных генетике, написано на языке эсперанто?» (оказывается – семнадцать!).

• Компьютеры, как и живые существа, могут «заболеть» – подцепить компьютерный вирус, которых на сегодня известно примерно 12 000, то есть в восемь (!) раз больше, чем природных биологических. Последствия «заражения» самые разнообразные – от замедления работы до полного стирания информации с диска.

• Любой посетитель вашингтонского Музея авиации и космонавтики может установить спутниковую связь с автоматическим погружаемым аппаратом, плавающим у берегов Антарктиды, а пользуясь компьютером, отдать ему приказы о передвижении и сборе образцов донного грунта.

• С 1977 года для передачи самой разнообразной информации используется метеоритная радиосвязь. Каждый день в земной атмосфере сгорают миллиарды крошечных метеоритов, оставляя на высоте 80–110 километров ионизированные «хвосты», – вот их-то и употребляют в качестве отражателей высокочастотных радиосигналов.

• Это электронное удостоверение личности размером с визитную карточку позволяет его хозяину открывать без ключа двери в свой дом или офис, настроить компьютер на нужный ему режим работы, сообщить о своих перемещениях и т. д.

• Глобальная спутниковая система позиционирования, позволяющая человеку установить свое местонахождение на Земле с точностью до нескольких метров, стала применяться в работе устройств, с помощью которых слепые и слабовидящие люди могут ходить по городу почти без затруднений.

• Самый длинный подводный волоконно-оптический кабель проложен от Сингапура до Марселя через Индийский океан, Красное и Средиземное моря. Его протяженность составляет 18 тысяч километров, и по нему одновременно можно передавать 60 тысяч телефонных разговоров.

• Александр Белл предлагал переносить звук по воздуху с помощью света. Похоже, что аппарат, названный им «фотофоном», уже изобретен – на конференции Американского общества материаловедения прозвучало сообщение о создании вещества, способного преобразовывать свет в звук без всяких проводов и электричества, и была продемонстрирована первая модель, работающая пока на пределе слышимости.

• Звукозаписывающие устройства достигли такой степени миниатюризации, что диктофон помещается в корпусе обычной шариковой ручки и может работать без смены батареек более получаса.

• Компьютеры способны генерировать такие звуки, которые невозможно извлечь ни из одного известного музыкального инструмента. А в Парижском институте акустики и музыки компьютер «сложил» записи голосов современных певца и певицы и помог восстановить голос знаменитого певца Фаринелли, жившего в начале XVIII века!

• Специалисты по искусственному интеллекту считают, что в мае 1997 года наступила новая эра в развитии «мыслящих» машин. Тогда впервые суперкомпьютер одержал победу над чемпионом мира по шахматам Гарри Каспаровым.

• Из шутливого прогноза: через четверть века войдет в силу закон, согласно которому будут облагаться налогом все изображения местности и зданий, созданные методами виртуальной (мнимой) реальности, когда искусственный мир становится неотличимым от действительного.

• Технология виртуальной реальности позволяет непосредственно вводить трехмерные изображения в компьютер. Например, перчатка с встроенными в нее датчиками и кабелями дает на мониторе абсолютно реалистическое, причем движущееся, отображение руки.

• О появлении взаимосвязанного всемирного сообщества мечтали задолго до изобретения современных средств связи и введения термина «глобальная деревня». Почти полтораста лет назад американский писатель Натаниель Готорн писал: «Разве это не факт… что с помощью электричества весь материальный мир превратился в огромный нерв, вибрирующий на протяжении тысяч миль в одном неуловимом мгновении? Земной шар – это, пожалуй, гигантская голова, мозг, инстинкт, наделенный разумом». Что ж, в последние годы количество пользователей компьютерной сети Интернет перевалило уже за 25 миллионов человек.