Алекс в стране чисел. Необычайное путешествие в волшебный мир математики - Алекс Беллос

В 1620 году английский математик Эдмунд Гантер впервые нанес логарифмическую шкалу на линейку. Он заметил, что использование пары циркулей и его логарифмической линейки позволяет умножать числа, не обращаясь к таблицам логарифмов; если циркуль установлен на значении 1 слева и на значении а справа, то при переносе левой иглы циркуля в любое число b окажется, что правая игла стоит на числе а × b. На рисунке показан циркуль, поставленный на 2, а затем перенесенный так, что его левая игла стоит на 3; правая при этом оказывается на отметке 2 × 3 = 6.

Гантеровское умножение 2 × 3 = 6

Прошло немного времени, и англиканский священник Уильям Отред усовершенствовал идею Гантера. Он отказался от циркуля, предложив вместо этого использовать две деревянные линейки с нанесенными на них логарифмическими шкалами, скользящие одна вдоль другой, — получилась «логарифмическая линейка». Это вычислительное устройство поистине фантастическое по своей гениальности, и несмотря на то, что в наши дни оно выглядит пережитком прошлого, у него есть свои истовые поклонники. К одному из них — Питеру Хоппу — я заехал в гости в его родной городок в 40 милях от Лондона. «Между 1700-ми годами и 1975 годом все без исключения инновации в технике совершались с помощью логарифмической линейки», — сказал он мне, встречая меня на станции. Хопп — инженер-электрик на пенсии — необычайно любезный человек с клочковатыми бровями, голубыми глазами и роскошными бакенбардами. Он показал мне свою коллекцию логарифмических линеек, одну из самых больших в мире, содержащую более тысячи этих позабытых героев нашего научного прошлого. По дороге к его дому мы обсуждали с ним коллекционирование. Хопп заметил, что все самое лучшее продается на интернет-аукционах, и конкуренция приводит к взвинчиванию цен. А редкая логарифмическая линейка, сказал он, легко может стоить более тысячи долларов.

Когда мы добрались до его дома, миссис Хопп предложила нам чаю, а потом мы удалились в его кабинет, где он показал мне деревянную логарифмическую линейку 1970-х годов, изготовленную фирмой «Faber-Castell», с пластиковым покрытием цвета магнолии. Она ничем не отличалась от обычной 30-сантиметровой линейки, только внутри нее имелась подвижная средняя часть. На ней очень тонким шрифтом были нанесены несколько различных шкал. Кроме того, имелся прозрачный подвижный бегунок с рисками. Вид этого изделия фирмы «Faber-Castell» и то, каково оно было на ощупь, вызывало глубокие ассоциации с послевоенной докомпьютерной эрой чудаков-зубрил, когда занудничающие умники ходили в рубашках и галстуках и носили в карманах пластиковые пеналы, набитые ручками, — не то что нынешние, в футболках и кедах, с айподом в руках.

Я ходил в британскую младшую и среднюю школу в 1980-х годах, когда логарифмическими линейками уже больше не пользовались, так что Хопп прочитал мне краткий вводный курс. Он посоветовал, чтобы я, как начинающий, использовал шкалу от 1 до 100 на основной линейке и соседнюю с ней шкалу от 1 до 100 на подвижной средней части.

Умножение двух чисел с помощью логарифмической линейки — операция совсем не сложная, при этом даже не требуется понимать, что такое логарифмы. Пусть, например, я собираюсь умножить 4,5 на 6,2. Мне надо сложить длину, отмеченную как 4,5 на одной линейке, с длиной, отмеченной как 6,2 на другой. Для этого я сдвигаю среднюю подвижную часть линейки так, чтобы 1, нанесенная на ней, совпала с точкой 4,5 на основной линейке. Результат этого умножения находится в точке на основной линейке, стоящей напротив числа 6,2 на средней линейке. Все понятно из рисунка:

Прозрачный курсор с рисками помогает разглядеть, как именно соотносятся две шкалы. Проследив от точки 6,2 на подвижной средней линейке, можно увидеть, что на основной линейке это будет соответствовать отметке, лишь немного не доходящей до 28, что и представляет собой правильный ответ. Логарифмические линейки не являются прецизионными устройствами. Однако, говорит Хопп, несмотря на отсутствие прецизионности, логарифмические линейки, как правило, оказывались достаточно точными для инженерных задач.

Я использовал на логарифмической линейке шкалу от 1 до 100. Кроме того, там нанесены шкалы от 1 до 10, которые применяются при расчетах, требующих большей точности, потому что при такой шкале между нанесенными на линейку числами остается больше места. По этой причине при пользовании логарифмической линейкой лучше переписать подлежащее вычислению выражение так, чтобы в него входили числа между 1 и 10 — это можно сделать, перенеся десятичную запятую. Например, мы хотим умножить 4576 на 6231 — превратим это в умножение чисел 4,576 и 6,231. А получив ответ, перенесем десятичную запятую на шесть разрядов обратно направо. Имея входное значение 4,576 и выравнивая его с числом 6,231, получаем примерно 28,5, что означает, что ответ в задаче об умножении 4576 × 6231 составляет около 28 500 000. Совсем не такая плохая оценка. Точный ответ, вычисленный с использованием таблиц логарифмов, равен 28 513 056. Как правило, логарифмическая линейка, подобная линейке фирмы «Faber-Castell», дает точность в три значащие цифры — а нередко только это и требуется. Но там, где я проиграл в точности, я выиграл в скорости — это вычисление заняло у меня менее пяти секунд. Использование таблиц логарифмов потребовало бы в десять раз больше времени.

Самый старый экземпляр в коллекции Питера Хоппа — это деревянная логарифмическая линейка начала XVIII века, которую использовали сборщики налогов для вычисления объема спиртных напитков. До моей встречи с Хоппом я весьма скептически относился к коллекционированию логарифмических линеек как к интересному времяпрепровождению. Марки и окаменелости, по крайней мере, бывают красивыми; логарифмические же линейки — это чисто функциональные устройства, созданные с целью облегчения вычислений. Но старинная логарифмическая линейка Хоппа определенно была красивой — из превосходного дерева, с изящно нанесенными цифрами.

В обширной коллекции Хоппа нашли свое отражение те небольшие изменения, что происходили с линейками в течение веков. К примеру, в XIX столетии появились новые шкалы. Питер Роже — тот самый лексикограф, что с поистине маниакальной настойчивостью составлял списки слов, пытаясь таким образом справиться с душевной болезнью (это привело в 1805 году к появлению «Тезауруса Роже», Thesaurus of English Words and Phrases, одного из первых в истории и наиболее известных на сегодня словарей, впервые опубликованного в 1852 году), — изобрел двойную логарифмическую шкалу, с помощью которой стало возможным вычислять дробные степени, подобные 32,5, и квадратные корни. По мере совершенствования производства логарифмических линеек появлялись все новые и новые изделия, сочетавшие в себе достижения изобретательности, точность и великолепие. Например, счетное устройство Тэчера выглядит как вращающийся цилиндр на металлическом основании, а калькулятор профессора Фуллера состоит из трех концентрических полых медных цилиндров с ручкой из красного дерева. Спираль общей длиной в 41 фут обвивает цилиндр, позволяя получать точность в пять значащих цифр. И в самом деле, решил я, логарифмические линейки — предмет, обладающий неожиданной привлекательностью.

Среди других экспонатов я приметил на полке у Хоппа нечто, выглядевшее как мельница для перца, и поинтересовался, что это такое. Хопп ответил, что это курта. Курта — черный цилиндр размером с ладонь, с заводной ручкой сверху — представляет собой уникальное изобретение: это единственный в своем роде механический карманный калькулятор. Чтобы показать, как он работает, Хопп сначала провернул ручку на один оборот — обнулил показания машинки. Числа задаются изменением расположения ползунков, перемещающихся в пазах боковой поверхности курты. Хопп выставил число 346 и один раз повернул ручку. Затем он поставил ползунки в положение, соответствующее числу 217. После еще одного поворота ручки сумма этих двух чисел, равная 563, появилась в окошке в верхней части механизма. Хопп сказал, что курта может еще вычитать, умножать, делить и выполнять другие математические операции.

И хотя курта — это не логарифмическая линейка, воплощенная в ней изобретательность сделала ее объектом, милым сердцу собирателей вычислительных устройств. Стоило мне только увидеть этот калькулятор в деле, как я сразу понял — он лучший в коллекции Хоппа. Начнем с того, что курта и правда почти буквально «перемалывала» числа — их в нее «засыпали», а результат появлялся после вращения ручки. Хотя «перемалывала» — пожалуй, слишком грубое слово для устройства, внутри которого запрятаны 600 механических деталей, работающих с точностью швейцарских часов.

С куртой связана весьма драматическая история. Ее изобретатель Курт Херцштарк придумал прототип этого устройства в концентрационном лагере Бухенвальд в конце Второй мировой войны. Херцштарка арестовали за «пособничество евреям» и за «связь с еврейскими женщинами». Лагерное начальство, узнав, что Херцштарк — гениальный инженер, велело ему продолжать работу над его вычислительной машиной. Херцштарку сказали, что, если устройство будет работать, его преподнесут Гитлеру в качестве подарка, и жизнь Херцштарка будет спасена. Когда с окончанием войны Херцштарк получил свободу, он покинул лагерь, имея при себе практически законченные чертежи. После нескольких попыток найти инвестора он в конце концов сумел убедить князя Лихтенштейна, и именно там, в Лихтенштейне, в 1948 году была выпущена первая курта. До начала 1970-х годов фабрика в этом княжестве произвела около 150 000 штук механических калькуляторов. Херцштарк прожил в Лихтенштейне до самой своей смерти. Он скончался в 1988 году в возрасте 86 лет.