"计算机第一人"巴贝奇与英国科学界的革新时代

澎湃新闻09-17 10:47 跟贴 51 条

追求精准的变革

查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)1791年出生于一个银行家家庭,他自幼对数学有着浓厚的兴趣。在他1810年就读于剑桥大学三一学院之前,他已经从拉格朗日(Joseph Louis Lagrange)等数学家的书中自学了一些现代数学知识。对现代数学的了解让他对大学课程中的数学课程产生了很大不满。

在巴贝奇上学的年代,英国的数学课程都是以牛顿式方法、符号来进行微积分运算的;而法国、德国等国家则采用莱布尼兹发明的大陆式方法(the Continental method),这比牛顿的符号更加简练、清晰。出于民族主义情绪和墨守陈规的心态,莱布尼兹的大陆式符号一直没能在英国普及,这也在一定程度上导致了英国数学发展的滞后。

在大学期间,巴贝奇结识了威廉·胡威立(William Whewell)、约翰、赫歇尔(John Herschel)、乔治·匹考克(George Peacock)等好友;他们在日后也都成为了赫赫有名的学者,胡威立成为三一学院校长;赫歇尔被册封爵士,在天文学颇有建树;匹考克成为一名神学家。他们都和巴贝奇保持了多年的交流与友谊。1812年,巴贝奇和赫歇尔以及匹考克一起创办了分析社(The Analytical Society),致力于莱布尼兹符号在英国的普及。尽管直至1817年剑桥大学才缓慢地开始了他们所期望的改革,彼时分析社早已解体,但他们的努力却反映了其前瞻性以及改革的必要性。

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查尔斯·巴贝奇

实际上,在19世纪初的英国,数学之外的各个领域也开始显现出滞后的疲态,人们对社会现实的不满也在不断积蓄。在学术界,大学仍然像几个世纪以前一样以培养绅士以及神职人员作为第一目标,主要授课内容是神学和古典文学。自然科学的研究由于需要大量开销与时间,又缺乏报酬,仍然被视为“绅士们的兴趣”,而不是一个专业性领域。同时,最初为了振兴科学而由格拉汉姆学院教授们自发创立的英国皇家学会(Royal Society)也因为大量非研究人员的加入,已经逐渐沦落为贵族社会的社交场所。当然,这不意味着科学研究已经一潭死水般停滞,随着工业革命后工业城市的蓬勃发展,很多创建了地方性质的文学和哲学协会,这将在未来对英国科学促进会(British Association for the Advancement of Science,2009年改名为英国科学协会)的创立与发展起到重要的作用,但此时任何改革的尝试都必须经受重重阻力。

正是在这个时代背景之下,1822年,巴贝奇研制出了一款“差分机(Difference Engine),它能够自主完成三组十万以内的加法,而不需要任何人力计算。在学生时代,巴贝奇和赫歇尔便意识到当时的航海导航表以及天文数据表中存在许多错误,这是由于表中的数据需要大量繁琐而枯燥的计算,尽管动用了大量人力反复检查,但是计算错误还是层出不穷。巴贝奇设计差分机正是为了解决这一问题。于是他向英国皇家海军部申请资金以制造一台比原型机更大、功能更强的差分机;用它来制作数据表,其结果就会无比精确。在他的构想里,新的差分机可以进行20位的六项式运算。然而,对差分机的研制只是他漫长斗争中的起始。

差分机的完成部分,1832

无奈与愤怒

巴贝奇既不像胡威立一样有着稳定的收入,也不像赫歇尔一样足够富足而从不为钱所困,直至1827年他的父亲去世之前,他一直持续着“啃老”,依靠父亲的津贴维持生活。1828年,剑桥大学卢卡斯教授的荣誉职位出现空缺,已经在天文学界名声远播的赫歇尔立刻成为了众人心目中的第一人选,但赫歇尔却竭力推举巴贝奇,在他的四处游说之下,巴贝奇成功坐上了一百多年前牛顿的宝座,并一直担任该职至1839年。1827年,因为父亲的去世,巴贝奇在友人的建议下短暂搁置了已经持续数年的差分机研制,前往欧洲各国旅行。媒体对巴贝奇花费政府巨资设计的机械究竟有何用途表示怀疑,赫歇尔挺身而出,公开支持巴贝奇和他尚未完成的事业。

约翰·赫歇尔

但巴贝奇和赫歇尔的友谊很快出现了裂痕。1829年他开始写作《对科学在英格兰的衰落及其原因的反省(Reflections on the Decline of Science in England, and on Some of Its Causes)》一书,并于1830年出版。书中他认为只有最富裕阶级的子弟能从事科学工作的现象阻碍了科学发展,指出“英格兰的科学发展状况已经大大落后于法国和德国等欧洲强国,甚至还不如某些欧洲小国,尤其是像数学这样比较艰深和抽象的科学门类 ,情况就更为糟糕”。并把矛头直指皇家学会,特别是时任会长戴维斯·吉尔伯特(Davies Gilbert),他表示:“(吉尔伯特)是一名‘合适的(会长人选)’都足够称得上阿谀,说他是‘目前最合适的’则只能被理解为他的支持者们一直容忍的一种美化、奉承的风气,和其它类似的行为,在委员会里出现。”

巴贝奇曾经把书稿送给赫歇尔,后者曾经在1829年的一篇论文的脚注中表示对英国科学研究现状的不满,但赫歇尔不建议巴贝奇出版这种引起舆论争端的内容,建议他把书稿烧了。巴贝奇不以为意,反而援引赫歇尔的注释来为自己背书,被逼无奈的赫歇尔只能公开表示自己对书中的内容并不赞同,以证清白。

也有人支持巴贝奇,但在当时他还没能掀起什么大风大浪。这便是大卫·布儒斯特(David Brewster),他主要从事光学研究,但却一生都没能取得教职,科研活动也得不资助,所以巴贝奇的不满他更加感同身受。布儒斯特从1827年起就在《爱丁堡科学杂志( Edinburgh Journal of Science)》上发表政府对科学研究进行资助,在巴贝奇的书出版后,他还写书评赞扬其中内容。布儒斯特身无教职,巴贝奇虽然尊为卢卡斯教授,也是拜赫歇尔所赐;赫歇尔和胡威立,加上牛津、剑桥的其他教授都对巴贝奇的书持反对态度。不过,反对的声浪很快便化作了改革的助力。

为未来播种

在巴贝奇的差分机设计进入瓶颈之时,布儒斯特联络了约克哲学协会,希望能够在约克举办一次英国科学人的会议,其目的在于使科学研究者们能彼此了解,同时使更多的公众对科学产生兴趣,以加速其发展。这些理念成为了英国科学促进会的创建核心,其很快吸引了赫歇尔、胡威立、理查德·琼斯(Richard Jones)等人的参与,尽管他们最开始对1831年的约克大会持观望态度而没有参与。

科学促进会相比于皇家学会对科学的分类更加细致,使得不断专业化的科学家们能各得其所,同时也设立基金来为一些缺乏经费的项目提供支持。同样,在1834年的大会上,胡威立正式提出“科学家(scientist)”的概念,从事科学工作的人不在被局限在“自然学家(naturalist)”的特定范畴里,这也标志着科学专业化的一个新的台阶。

威廉·胡威立

在这段时间里,巴贝奇的差分机项目最终在花掉两万三千英镑(在19世纪这几乎是一艘战舰的价格)之后依然没能完成,但他积极参与在科学促进会的各项会议之中,还有了新的计划。在1834年巴贝奇基本停止了对大型差分机的研制(但直到1842年政府才公开宣布放弃该计划)之后,他决定研发另外一种大型机械——分析机。

根据设计,分析机将拥有巴贝奇称为“仓库(store)”的齿轮式寄存器,用以保存数字信息;用打孔纸来进行程序的输入与输出,拥有巴贝奇称为“仓库(store)”的齿轮式寄存器、名为“磨坊(mill)”的中央处理器,控制操作顺序的控制器;通过打孔纸实现的输出与读取装置。可以说,除了采用机械元件而非电子电路之外,分析机几乎是现代电脑的原型。由于1834年巴贝奇的女儿乔治安娜不幸去世,这个宏大的设想在1835年才开始实施。和制作差分机时一样,巴贝奇再次投入了大量金钱与心血,它们的结局也十分相似,最终因为投资中断而没能完成。

分析机部分设计图,1840

不过,在对精密程序的研究之中,巴贝奇也产生了新的神学理解:他设想上帝设计了一套自主运行的完美程序(就像他在尝试做到的),之后发生的一切全部依靠程序的自主运作,不受到上帝的实时干预。在巴贝奇家的社交晚会上,社会上流的各界人士有机会接触到了他的理念和设计。有一个年轻人也是巴贝奇的常客,他1836年刚刚结束一次环球地质旅行回到伦敦,很快便成为了地质学界的一颗新星;他的名字叫查尔斯·达尔文(Charles Darwin)。可以说,巴贝奇的构想至少在一定程度上帮助达尔文构建了生物在残酷的自然选择中进化的逻辑,使他可以用一种机制来解释残酷的自然竞争,而非某些物种被仁慈的上帝主动淘汰。

另一方面,科学促进会的蒸蒸日上最终在1847年倒逼皇家学会也完成了自身的改革,对每年成为皇家学会会员的人数作出限制,并且公开投票,这样席位就会回到真正的学者身上,而不是无条件地接纳那些想要依靠人情取得席位的人们。但科学改革的推动却离巴贝奇越来越远,1837年威廉·胡威立出版的《归纳法科学史(History of the Inductive Sciences)》一书里点评认为数学家的工作缺乏对已知的创新,这让巴贝奇大为光火,公开地对胡威立进行了攻击,尽管胡威立没再做任何回应,两人的关系却再也不复从前,巴贝奇也渐渐停止了参加各项科学会议。

可能性的丰碑

1859年,当年巴贝奇家的青年达尔文也步入中年,他经过十多年深思熟虑,终于发表震惊世界的《物种起源(On The Origin of Species)》,科学界也迎来了新的一波冲击。不过达尔文是幸运的,如果不是科学促进会的成立和皇家学会的改革让专业的科学家重新掌握话语权,他必然会面临更大的舆论压力。而这则离不开巴贝奇的呼吁、布儒斯特的推动以及胡威立、赫歇尔等人的积极参与。

达尔文与《物种起源》

1871年10月,足够长寿的巴贝奇先后见证了胡威立和赫歇尔分别于1866年3月与1871年5月辞世,最终带着无比的遗憾,孤独地离开了人世。在学界一直持续争论着巴贝奇未能完成差分机与分析机的根本原因:究竟是单纯的经费不足,还是维多利亚时代的工业技术根本不足以实现巴贝奇设计的精度?这个问题的谜底直到1991年巴贝奇诞辰200周年之际,才终于得以揭晓。

自1986年开始英国科学博物馆的技术团队根据图纸对巴贝奇的差分机进行了还原。为了考证巴贝奇设计的可行性,在制作过程中,复原团队仅仅使用了维多利亚时代所有的技术条件,根据原图纸来进行零件的制作。最终的结果是喜人的:在历时5年,花费近三万英镑之后,差分机得以面世。这个纯机械驱动的计算工具固然早已没有任何实际意义,但这证明了维多利亚时期的工业技术已经能满足巴贝奇提出的构想;如果有足够的经费,他本有可能将分析机也完成,从而将计算机发展的时钟拨快。霍华德·艾肯(Howard Aiken)——第一台真空管电子计算机的设计师之一曾经感叹,如果巴贝奇活到今天,自己一定会失业。

巴贝奇绝不是一个狂想家,或是预言家。他从双重意义上都没有超越自己所处的历史局限:其设计符合维多利亚时代工业技术所能达到的范围;其构思没能得到政府更多经费的支持。试想,如果上世纪60年代没有美苏间的太空竞赛,人类对宇宙的探索在没有经费支撑时恐怕也只是空谈。这一对比再次凸显了巴贝奇所处的时代特性,专业化的科学虽然发展迅猛,但尚处于萌芽阶段。不过,他不可谓不是一位伟大的先驱者,网络时代的今天,他锲而不舍的探索精神和对计算机程序构想的前瞻性仍然令人震撼。巴贝奇以及和他同时代的科学家们生活在一个承前启后的时代:他们既是时代局限性的产物,也作为科学从兴趣走向专业的见证者与推动者,成为了照亮未来的灯火。

参考资料

Babbage,Charles. Reflections on the Decline of Science in England and on Some of Its Causes1830

Enros,Philip C. “The Analytical Society(1812-1813): Precursor of the Renewal of Cambridge Mathematics.” Historia Mathematics 10 (1983)

Synder,Laura J. The Philosophical Breakfast Club: Four Remarkable Friends Who Transformed Science and Changed the World. Broadway Books, 2012

柯遵科“英国科学促进会的创建”自然辩证法通讯2010,第三期

浦根祥、钱卉 “查尔斯·巴贝奇——计算机史上被误判的先驱者”自然辩证法通讯,第十八卷第101期

张志群“计算机先驱者巴贝奇”自然杂志Vol.21,2

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