《白云书园》之数字时代(二九)

计算机前世篇(姑娘计算机)

说起计算机,一种能进行科学计算的机器,经常会联想到算盘,比如互动百科上关于计算机发展历史中就有这么一段:[1]

要追溯计算机的发明,可以由中国古时开始说起,古时人类发明算盘去处理一些数据,利用拨弄算珠的方法,人们无需进行心算,通过固定的口诀就可以将答案计算出来。

算盘?

怎么说呢?算盘作为早期帮助数学计算的工具,其唯一的价值在于帮助人在执行计算中所需要记忆的部分。对与是谁发明了算盘,或者哪国家最先使用它这些问题还是有争议的。往往错误地归咎于中国。一些事实显示,现存最古老的算盘是巴比伦人在公元前300年使用的。[2]

这个先后问题我们就不多纠结了,还是先来看看计算机(computer)这个词是怎么来的。 英文学得好的小伙伴看到这货,

computer

第一反应好像是:“compute-er”是吧,应该是个什么样的人就对了,就是啊,“做计算的人”。

叮咚!恭喜你答对了。

最先被命名为 computer 的确实是人。也就是说,电子计算机(与早期的机械计算机)被给予这个名字是因为他们执行的是此前被分配到人的工作。 “计算机”原来是工作岗位,它被用来定义一个工种,其任务是执行计算诸如导航表,潮汐图表,天文历书和行星的位置要求的重复计算。从事这个工作的人就是 computer,而且大多是女神![3]

女神的工作环境

Charles Dicken (查尔斯·狄更斯, 1812年2月7日-1870年6月9日)  在《艰难时世》(Hard Times)中是这样描述计算机姑娘们的工作环境的:

a stern room with a deadly statistical clock in it, which measured every second with a beat like a rap upon a coffin-lid.

在计算发展的历史上,科学工作对女性的态度是谦逊,开放,和欢迎的。直到二十世纪早期,计算被认为是妇女的工作,而计算机也被默认为是女性。一些谦逊的数学家有时会开玩笑地用“姑娘-年”(girl-year,像光年一样)来近似地描述计算器材解决问题的马力,并形容机器的劳动单位等于一个“千-姑娘”(kilo-girl)。David Alan Grier 在《WHEN COMPUTERS WERE HUMAN》中对这段历史进行了有趣的描述(注意了,这个还真不是科幻小说)。

WHEN COMPUTERS WERE HUMAN

在历史上众多的姑娘计算机中,有一位 Nicole-Reine Lepaute (妮可-雷訥·勒波特)的故事在这本书中被仔细描述。勒波特幸运地有机会接触科学探索,并得到的父母和丈夫的支持,而且遇到了长期合作者 Joseph-Jérôme de Lalande (拉朗德)。

大家可能都听说过哈雷彗星吧。英国天文学家 Edmond Halley (哈雷)在1705年发表了一本书,在其中他用牛顿新发明的微积分确定并预测了一颗彗星重访地球的轨迹。这颗彗星也就是后来以哈雷的名字命名的哈雷彗星。

法国数学家 Alexis-Claude Clairaut (克莱洛)和拉朗德与勒波特在1757年,第一次相对精确地计算了哈雷彗星的近日点,并预计哈雷彗星将在次年的春天造访地球。在他们的计算中,三人通过把数学方程分解成一系列的小步骤,最终慢慢地计算出哈雷彗星的运行过程中沿抛物线形的轨道。

妮可-雷訥·勒波特 (1723-1788)

在整个计算过程中,拉朗德和勒波特集中精力在轨道与木星和土星的引力(三体问题),而克莱洛专注于彗星的轨道。 从现代天文学的角度来看,我们知道克莱洛没有考虑到天王星和海王星的影响,因为这两大行星在1757年时还没有被发现。尽管如此,他们的数字运算结果也还是比哈雷的预测提高了十倍以上的精度。

当后来观测到哈雷彗星到达近日点的时间比克莱洛提出的为期两个月的窗口晚几天时,当时的百科全书的编辑之一,天文学家 Jean d’Alembert,嘲笑克莱洛的计算方法是一个笑话(more “laborious than deep”)。

但是历史最终会做出客观的评判的。David Alan Grier在书中评论道:克莱洛的更重要的创新是数学分工,认识到一个长时间的计算可以拆分成为可以并行的步骤,并由不同的人员来完成。” 小伙伴们,这听起来不就是原始的并行计算的概念吗?

到了十九世纪末,天文学不再是科学的最前沿的方向。像达尔文主义的人类学调查或数理经济学对战时生产能力的研究这些学科对计算能力提出了新的挑战,从而也引导了计算的目标。新诞生的统计学科也开始重新塑造各种社会研究的方法。

在此期间 Francis Galton(弗朗西斯·高尔顿)和 Karl Pearson(卡尔·皮尔森)试图用数据来帮助证实达尔文自然选择理论。没错,就是那个群体的智慧中总是提到的那个估计牛的重量的高尔顿和提出统计中时时用到的皮尔森相关系数的统计学家皮尔森。皮尔森的生物计算实验室(Biometrics Laboratory)当时就是一个依赖众多姑娘计算机来进行科学计算的中心。

皮尔森和87岁时的高尔顿

随着第一次世界大战的开始,计算的重点转移到两种问题上:计算受到大气阻力时炮弹轨迹问题和战时国家生产能力问题。英国弹药部很大程度上依赖于皮尔森的生物计算实验室帮助计算防空武器的弹道。在美国,这样的工作也同时在马里兰的 Aberdeen Proving Ground 展开。大西洋两岸的主要任务是改进 Francesco Siacci 的弹道轨迹理论。即使到了第二次世界大战时,美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们的妻子也被招募来计算曼哈顿计划中长长的数学问题。

好吧,想象一下,你有一份工作,一小时一小时,一天又一天,你什么也不做,就是计算加减乘除。很快无聊就会带来疏忽,错误和速度降低。因此,在姑娘计算机支撑了科学计算的这些年里,发明家们也一直都在寻找一种方式来机械化这些重复计算,各种机械计算仪器也就应运而生了。


[1] http://www.baike.com/wiki/计算机的发展历史

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Abacus

[3] http://www.thenewatlantis.com/publications/the-age-of-female-computers

[*] 原文同时发布在: 《白云书园》之数字时代(二九) http://wp.me/p5Da4b-3m

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