39/2008

Drodzy Paneliści!

W dzisiejszym wydaniu Biuletynu "Twoje Opinie" piszemy o komputerach mechanicznych. Istnieją takie? Ależ oczywiście. Gdyby rozwój elektroniki potoczył się nieco inaczej, być może dziś każdy z nas miałby na biurku coś w rodzaju mechanicznego zegara. Zapraszamy do działu "Taki jest świat". Jak zwykle opowiemy o "Tych szalonych naukowcach" i zaproponujemy Wam zabawę w "Prawdę czy fałsz".

Taki jest świat - Komputery na korbkę?

Skąd się wzięły komputery? Wszyscy znamy opowieści o zajmujących wiele pomieszczeń maszynach liczących, o coraz bardziej rozbudowanych kalkulatorach, o pierwszym procesorze. Ale odpowiedź na to pytanie sięga jeszcze dalej - do czasów starożytnych. Już wtedy bowiem istniały skomplikowane, jak na tamte czasy, maszyny służące do obliczeń. Co ciekawe, dziś do tych zabytków wracają uczeni, którzy konstruują najnowocześniejsze przyrządy. 

Był rok 1900. Poławiacze gąbek u brzegów malutkiej greckiej wyspy Antikythery na Morzu Egejskim natknęli się na wrak rzymskiego statku. Wydobyli z niego najróżniejsze dobra: amfory, skrzynie, rzeźby z brązu i marmuru. Niektóre z tych przedmiotów były tak obrośnięte morskim mchem, że przypominały raczej bezkształtne kamienie. Poławiacze gąbek nie mieli pojęcia, że w jednym z nich jest... koło zębate najstarszej znanej ludzkości maszyny służącej do obliczeń. Odkrył to dopiero dwa lata później Valerios Stais, grecki archeolog. On również nie zdawał sobie sprawy z wagi znaleziska, gdyż zaledwie 80 lat wcześniej ekscentryczny angielski matematyk i wynalazca Charles Babbage rozpoczął prace nad swoją mechaniczną maszyną różnicową.

Maszynę z Antikythery znaleziono w 82 kawałkach. Każdy z nich trzeba było porządnie oczyścić, a i tak dało się odczytać tylko połowę z 2 tysięcy symboli i inskrypcji z symbolami astronomicznymi, którymi oznaczony był największy zachowany fragment. To właśnie ten kawałek o wymiarach 33/17/9 centymetrów miał zamontowane dziwne koło z 27 zębami. Dziś już wiemy, że wszystkich kół w mechanizmie było 37. Urządzenie liczy sobie ponad 2 tysiące lat. Badania potwierdziły tę datę, a sprawdzano dokładnie, bo uczonym nie mieściło się w głowie, że tak skomplikowane urządzenie powstało w starożytności. Część uczonych była przekonana, że to średniowieczny lub nawet późniejszy zegar, który przypadkowo spadł na wrak rzymskiego statku. Jednak wiek maszyny został jednoznacznie określony.

Mechanizm z Antikythery badano dziesiątki lat. Uczeni zastanawiali się nad tym, kto i w jakim celu go stworzył. Podejrzewano o to m.in. Archimedesa. Wreszcie w 1959 roku, Derek J. de Solla Price z Yale University - człowiek, który całe swoje życie poświęcił badaniu tego przyrządu - opublikował artykuł "Antyczny grecki komputer". Wówczas sądził, że mechanizm o 31 kołach pozwalał przewidywać ruchy planet, a także zaćmienia Słońca i Księżyca. Udało się również zbudować replikę mechanizmu, wprawdzie niedoskonałą, którą można obejrzeć w greckim Narodowym Muzeum Archeologicznym w Atenach.

Do badań powrócono niedawno, w 2006 roku. Przy użyciu tomografii odcyfrowano wszystkie symbole, prześwietlono rentgenem najdrobniejszą nawet znaną część urządzenia. Zespołowi Mike'a Edmundsa z Cardiff University udało się wykazać, jak niezwykłą wiedzę posiadali starożytni Grecy. To niezwykłe urządzenie mogło służyć do obliczania zaćmień na podstawie względnej pozycji Ziemi, Księżyca i Słońca. Pokazywało też ruch Słońca i Księżyca na tle zodiaku, wskazywało fazy Księżyca, a także służyło do synchronizacji kalendarza słonecznego z księżycowym. Co więcej, urządzenie wskazywało momenty wschodów i zachodów ważniejszych gwiazd, a możliwe, że i położenie pięciu znanych wówczas planet.

Czy zatem rzeczywiście jest to - jak nazwał go de Solla Price - "antyczny grecki komputer"? Dziś to stwierdzenie nie daje się obronić. Obsługa mechanizmu sprowadza się bowiem do kręcenia pokrętłem, urządzenie nie pozwala na wprowadzanie dowolnych danych, nie oblicza wyników. Niemniej jest to pierwowzór późniejszych maszyn liczących.

Pierwszą nowożytną, mechaniczną maszynę liczącą (której również nie można nazwać prototypem komputera) skonstruował luterański pastor, matematyk i konstruktor, profesor uniwersytetu w Tybindze, Wilhelm Schickard. Zamówił ją nie kto inny, jak sam Jan Kepler. Maszyna, zwana także zegarem liczącym, umożliwiała to samo, co dzisiejsze najprostsze kalkulatory, czyli wykonywanie czterech podstawowych działań matematycznych. Z jedną różnicą - była zbudowana z drewna. Spłonęła w niewyjaśnionych okolicznościach w 1924 roku, ale na podstawie listów do Keplera udało się ją zrekonstruować. Podobne instrumenty wykonali potem Blaise Pascal i wielu innych wynalazców.

Pierwszą maszyną mechaniczną, o której przyjęło się mówić, że to pierwowzór komputera, jest wspomniana już maszyna różnicowa Charlesa Babbage'a. W 1822 roku Babbage zaproponował zbudowanie poruszanej parą maszyny, która mogłaby automatycznie wyliczać tablice logarytmów i funkcji trygonometrycznych. Dotąd zajmował się tym zespół matematyków, pracujących przy pomocy prymitywnych kalkulatorów. Maszyna różnicowa nie została w pełni ukończona, gdyż Babbage wpadł na pomysł innego, bardziej zaawansowanego urządzenia, tzw. maszyny analitycznej. Babbage zastosował w niej karty perforowane, zapożyczone z krosien tkackich. Zasada jej działania podobna była do reguł działania współczesnych komputerów cyfrowych. Jednostka licząca, zwana "młynem", oddzielona była od pamięci - "magazynu", który zapamiętywał dane wejściowe, jak również te, nad którymi maszyna aktualnie pracowała. Wyniki zapisywane były na metalowej blaszce. Jakby nie patrzeć, jest to więc podział zbliżony do architektury Johna von Neumanna z 1945 roku, opisującej warunki, które powinien spełniać komputer. Nad maszyną analityczną, o wiele bardziej skomplikowaną od maszyny różnicowej, nawet nie rozpoczęto prac. Powstał jednak program, który mógłby być na niej uruchomiony. Napisała go znakomita matematyczka Augusta Ada Lovelace, córka angielskiego poety lorda Byrona. Ada w pełni rozumiała, jak miałaby działać maszyna Babbage’a, pokusiła się więc o jej zaprogramowanie. Przygotowany przez nią program mógłby obliczyć ciąg Bernoulliego. Na cześć Ady Lovelace w 1979 r. Departament Obrony USA nadał stworzonemu wtedy językowi programowania nazwę Ada.

Z powodu trudności technologicznych żadna z zaprojektowanych maszyn nie została w swych czasach ukończona. Mimo to stworzone kilka lat temu przez londyńskie Science Museum ich rekonstrukcje potwierdziły, że były one w stanie przeprowadzać złożone obliczenia. Maszyna, którą na podstawie planów Babbage'a zbudowali naukowcy z Londynu, składała się z 4 tysięcy elementów, ważyła trzy tony. Co ciekawe, uzyskuje dokładność do 31 cyfr, czyli znacznie większą niż dają dzisiejsze kalkulatory kieszonkowe.

Jest jeszcze jeden komputer, który obywa się bez prądu - to tzw. maszyna Turinga. Jest... konstruktem teoretycznym, a za jego pomocą można zbudować każdy program, jaki posiadają współczesne komputery. Maszyna Turinga nie jest zatem rzeczywistym urządzeniem, ale modelem matematycznym (choć wykonanie maszyny działającej na podobnych zasadach jest możliwe w dzisiejszych czasach - przykład takiego urządzenia można zobaczyć pod adresem www.u.lodz.pl/~wibig/maze/budujemy/turing/tm.html). Maszyna Turinga to taśma, podobna do taśmy filmowej, podzielona na klatki. Każda klatka zawiera jakieś dane, które mogą być odczytane i w zależności od instrukcji programu odpowiednio zmienione przez ruchomą głowicę. I to wszystko. Zauważmy jednak, że nowoczesne maszyny, jakie stoją dziś niemal na każdym biurku, też nie robią nic innego, tylko odczytują zerojedynkowe ciągi i wykonując instrukcje programu, odpowiednio je zmieniają. Tekst, muzyka, filmy, strony www, e-maile i wszystkie inne dane, na których operują dzisiejsze komputery, to przecież ciąg zer i jedynek.

Dotąd mówiliśmy o maszynach, które choć dokonują skomplikowanych obliczeń lub zadziwiają stopniem skomplikowania, nie spełniają wszystkich założeń, jakie powinien spełniać komputer, lub jak maszyna Turinga, są tylko modelem matematycznym. Czy istnieje więc w ogóle "komputer mechaniczny"? Tak.

To Z1, komputer zaprojektowany i wykonany przez niemieckiego inżyniera i konstruktora Konrada Zuse. W roku 1934 Zuse pomyślał, że jako inżynier wodno-lądowy, traci bardzo dużo czasu na żmudne obliczenia. Konrad Zuse zaczął więc myśleć o wykonaniu maszyny, która rozwiązywałaby dowolne zadania matematyczne. To właśnie on wprowadził system dwójkowy, używany dziś powszechnie w komputerach. Maszyna nie była jednak elektryczna. Jedynym elementem, który potrzebował do pracy prądu, był silnik służący do napędu generatora zegarowego. Poza tym urządzenie wykonywało operacje logiczne za pomocą sprytnego systemu zapadek, które Zuse pracowicie wycinał z blachy piłką do metalu. Z1 powstał... w pokoju gościnnym rodziców Zusego. Ten egzemplarz przepadł w czasie wojny. Zuse, już jako siedemdziesięciolatek, posługując się własnymi notatkami zbudował Z1 raz jeszcze. Obejrzeć go można w niemieckim muzeum techniki w Berlinie lub na stronie muzeum: http://www.dtmb.de/Rundgang/index.html.

Wspomnieliśmy, że również współcześni naukowcy myślą o skonstruowaniu mechanicznego komputera. Z tym, że nie wielkie koła zębate jak u Babbage'a, nie zapadki jak u Zusego, ale ruchome części o wielkości liczonej w nanometrach byłyby zasadniczym elementem takiej maszyny. Jaki jest właściwie cel tych prac? Mechanicznym komputerem byłoby zainteresowane na przykład wojsko, gdyż w odróżnieniu od tradycyjnego elektronicznego komputera nie byłby wrażliwy na impuls magnetyczny, towarzyszący eksplozjom atomowym. Można by także ominąć problemy z przegrzewaniem się, obniżyć zużycie energii. Naukowcy przyznają, że konstrukcja ma się opierać na XIX-wiecznej idei Charlesa Babbage'a. Tak więc historia zatacza koło. 

W Newsletterze:

	Taki jest świat - Komputery na korbkę?
	Ci szaleni naukowcy - Stutysięcznik na orbicie

Prawda czy fałsz - pytania

1. Tylko 5 proc. japońskich rodziców korzysta z programów komputerowych służących do kontroli rodzicielskiej.

2. Polska policja już korzysta z międzynarodowej bazy danych DNA Interpolu.

3. Odległość między frontową bramą i drzwiami domu Larrego Page’a, współzałożyciela Google, wynosi 125,3 metra.

Ci szaleni naukowcy - Stutysięcznik na orbicie

Jest mniej więcej rozmiaru osobowego samochodu. Przebył ponad 4,38 miliarda kilometrów i nadal podróżuje. Co to? Kosmiczne obserwatorium, teleskop Hubble’a, oczywiście. 11 sierpnia 2008 roku okrążył Ziemię po raz stutysięczny od czasu umieszczenia go na orbicie. Kosmiczny Teleskop Hubble'a to jeden z najsłynniejszych i najbardziej zasłużonych instrumentów obserwacyjnych. Pozostałe to Chandra, obserwująca Kosmos w promieniach rentgenowskich, i Teleskop Kosmiczny Spitzera, widzący w podczerwieni. Czwarty instrument, Obserwatorium Promieniowania Gamma Comptona, zakończył swą pracę w 2000 roku. Teleskop Kosmiczny Hubble’a należy do dwóch największych na świecie agencji kosmicznych - amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Obie agencje nie informują, czy z okazji stutysięcznego okrążenia przygotowały lampkę szampana. Zdjęcia, filmy, animacje, informacje i tapety do pobrania znajdziecie na stronie szacownego teleskopu: http://hubblesite.org/

Prawda czy fałsz - odpowiedzi

1. Prawda. Tak wynika z badań firmy Symantec, zajmującej się bezpieczeństwem w internecie. W USA ten odsetek wynosi 48 proc.

2. Prawda. Mniej więcej od dwóch tygodni polska policja ma dostęp do bazy, w której może sprawdzić tak zwany "profil DNA" osób podejrzewanych o przestępstwa. Baza danych DNA Interpolu powstała w 2003 roku. Więcej informacji znajdziecie w serwisie internetowym policji: http://www.policja.pl/portal/pol/1/25627/

3. Fałsz. Larry Page od drzwi domu do bramy musi przejść 25,3 metra. Skąd to wiadomo? Organizacja broniąca prawa do prywatności - National Legal and Policy Center - dowiedziała się tego z Google Street View, czyli usługi Google, która pokazuje zdjęcia amerykańskich ulic. Rzecz jasna, taka usługa nie podoba się organizacji. W sieci przedstawiono zatem kilkustronicowy dokument napisany tak, jakby przygotował go potencjalny porywacz. Zawiera on plan trasy z domu do pracy Page’a wraz z zaznaczeniem świateł, na których może się ewentualnie zatrzymać, zdjęcie jego samochodu wraz z tablicami rejestracyjnymi, a także wiele innych szczegółów. Wszystkie dane zdobyto dzięki półgodzinnej sesji z Google Street View.