چارلز ببیج، پدر علم محاسبات

چارلز ببیج ریاضی‌دان مشهور انگلیسی است که اولین طرح‌های مفهومی ماشین حساب را طراحی کرد. او را به عنوان پدر محاسبات می‌شناسند.

چکیده ای از بیوگرافی چارلز ببیج

نام اصلی:چارلز ببیج

تولد: ۲۶ دسامبر ۱۷۹۱

ملیت: انگلیسی

پیشه: دانشمند، ریاضی‌دان، فیلسوف

ایده: ماشین محاسبه گر برنامه‌پذیر

دوران زندگی: ۱۷۹۱-۱۸۷۱

چارز ببیج (Charles Babbage)، دانشمند، ریاضی‌دان، فیلسوف، مخترع و مهندس مکانیکی است که برای اولین بار، طرح مفهومی یک کامپیوتر قابل برنامه‌ریزی را ارائه کرد. برخی لقب «پدر محاسبات» را به او داده و برخی او را به عنوان «پدر کامپیوتر» می‌شناسند. او مخترع اولین کامپویتر مکانیکی تاریخ است. طرح‌های او پایه‌گذار طراحی و ساخت کامپیوترهای الکترونیکی پیشرفته شده است.

چارلز ببیج دستگاهی نیز با نام ماشین تحلیل (Analytical Engine) طراحی کرد که تمامی مفاهیم و ایده‌های بنیادی کامپیوترهای مدرن را در خود داشت. بخش‌هایی از طرح‌های این دانشمند بزرگ نیز ناتمام ماندند و سال‌ها بعد، نمونه‌های همچون «ماشین محاسبات چندجمله‌ای‌ها» از روی طرح‌های او ساخته شدند. موفقیت آن ماشین‌ها نشان از کامل بودن طرح‌های ببیج داشت.

تولد و تحصیل

زمان و مکان تولد چارلز ببیج مورد بررسی‌ها و مناقشات متعدد بوده است. دقیق‌ترین اطلاعات از محل تولد او توسط دیکشنری بیوگرافی‌های ملی آکسفورد ارائه شده است. این دیکشنری، محل تولد او را خیابان والوورث در لندن بیان می‌کند. در مورد زمان تولد او نیز، اولین مرجع معتبر، آگهی فوتی است که در روزنامه‌ی تایمز چاپ شده و تاریخ تولد را ۲۶ دسامبر سال ۱۷۹۲ عنوان می‌کند. البته یکی از برادرزاده‌های او سال ۱۷۹۱ را به عنوان تاریخ اصلی معرفی می‌کند. یکی از اسنادی که تایخ سال ۱۷۹۱ را تایید می‌کند، زمان غسل تعمید چارلز است که در اسناد کلیسای نیوینگتون لندن، ۶ ژانویه‌ی ۱۷۹۲ عنوان شده است.

ببیج در خانواده‌ای با چهار فرزند به دنیا آمد. پدر او، بنجامین ببیج یک بانکدار بود و مادرش نیز بتسی پلاملی تیپ نام داشت. خانواده‌ی ببیج در سال ۱۸۰۸ به تینموث شرقی نقل مکان کردند. چارلز در کودکی به بیماری کشنده‌ای دچار شد که زندگی او را در معرض خطر قرار داد. پس از رهایی از بیماری، او در سن هشت سالگی به مدرسه‌ای محلی در آلفینگتون رفت. او که استعداد بالایی در تحصیل داشت به سرعت برای حضور در مدرسه‌ی King Edward VI در توتنس پذیرفته شد اما به خاطر شرایط نامساعد سلامتی، بار دیگر به تحصیل زیر نظر معلمان خصوصی روی آورد.

تحصیلات چارلز در مقاطع ابتدایی و راهنمایی آن دوران با تغییرات متعددی روبرو بود. او ابتدا در یک آکادمی در آنفیلدبه تحصیل پرداخت و در کتابخانه‌های آنجا به مطالعه‌ی ریاضیات علاقه‌مند شد. سپس زیر نظر کشیشی در نزدیکی کمبریج به تحصیل پرداخت اما پس از مدتی با ناامید شدن از آموزه‌های او به توتنس بازگشت. در نهایت او تحصیلاتش را زیر نظر یک استاد آکسفورد ادامه داد و با رسیدن به درجه‌ای ممتاز در علوم کلاسیک، برای ادامه‌ی تحصیل در کمبریج پذیرفته شد.

ببیج در اکتبر سال ۱۸۱۰ وارد کالج ترینیتی دانشگاه کمبریج شد. او پس از ورود به دانشگاه، آشنایی عمومی با ریاضیات معاصر داشت. او تحقیقات و کتاب‌های اساتید بزرگی همچون رابرت وودهاوس، جوزف لوئیس لاگرانژ و ماری آنیزی را مطالعه کرده بود. این مطالعات او را از سبک آموزشی و دروس تدریس شده در دانشگاه ناامید می‌کرد.

او به همراه همکلاسی‌هایش از جمله جان هرشل، جرج پیکاک و برخی دانشجویان دیگر، «انجمن ریاضیات تحلیلی» را تاسیس کردند. هدف اصلی از تاسیس این انجمن، جایگزینی علائم و جداول ریاضی نیوتن با جداول لایب‌نیتس در محاسبات دیفرانسیل بود. انجمنی که ببیج تاسیس کرد تا سال‌ها بعد به فعالیت خود ادامه داد و تاثیر زیادی در جایگزینی علائم ریاضی داشت. البته امروزه هر دو نوع علائم لایب‌نیتس و نیوتن در ریاضیات استفاده می‌شود.

علاوه بر انجمن ریاضیات تحلیلی، ببیج در انجمنی با نام The Ghost Club نیز در کمبریج عضو بود که با هدف مطالعه‌ی پدیده‌های فراطبیعی تاسیس شده بود. ببیج در سال ۱۸۱۲ بهدانشکده‌ی پیترهاوس دانشگاه کمبریج رفت. او که یکی از برترین دانشجویان ریاضیات در این دانشکده بود، در سال ۱۸۱۴ بدون شرکت در آزمون فارغ‌التحصیل شد. 

فعالیت کاری

دوران تحصیل ببیج و مطالعات او در آن زمان، شهرت مناسبی را برای او در مجامع علمی ایجاد کرده بود. این دانشمند جوان یک سال پس از فارغ‌التحصیلی در موسسه‌ی سلطنتی بریتانیا سخنرانی کرد و یک سال بعد نیز به عنوان همکارجامعه‌ی علمی سلطنتی انتخاب شد. او تلاش‌های متعددی برای تدریس در دانشگاه‌های هیلیبری و ادینبرگ داشت که با وجود دریافت توصیه‌نامه از اساتید این دانشگاه‌ها در این امر موفق نبود.

ببیج در سال‌های بعدی تلاش‌های متعددی برای شروع کسب و کار داشت. او ابتدا ایده‌ای برای تاسیس شرکت بیمه داشت اما در آن موفق نشد. چارلز در سال‌هایی که به دنبال شغل برای خود بود از کمک‌های پدرش و پس از مرگ او نیز از ارث فراوانی (معادل ۱۰ میلیون دلار امروزی) که به دست آورده بود برای مخارج زندگی استفاده می‌کرد. او پس از مرگ پدر و همسرش، به مسافرت می‌پرداخت.

یکی از اقدامات مثبت ببیج در سال‌های ابتدایی پس از فارغ‌التحصیلی، همکاری در تاسیس انجمن سلطنتی نجوم بریتانیا بود. او تمرکز اصلی خود را روی کاهش محاسبات مورد نیاز منجمان گذاشته بود و با طراحی سیستم محاسباتی دقیق، سعی در کاهش خطاهای جداول محاسباتی نجوم داشت. پروژه‌ی اصلی او که با همکاری دوست قدیمی‌اش هرشل در این موسسه انجام می‌شد، بهبود جداول جانمایی سیاره‌ها بود. فعالیت در این پروژه، اولین ایده‌ها برای طراحی و ساخت ماشین مکانیکی محاسباتی را به ذهن چارلز وارد کرد.

تدریس

ببیج از سال ۱۸۲۸ تا ۱۸۳۹ در کرسی لوکاسی دانشگاه کمبریج به تدریس می‌پرداخت. او تفاوت‌های عمده‌ای با استادان دیگر داشت و تمایل زیادی نیز به تدریس از خود نشان نمی‌داد. چارلز در این مدت سه عنوان کتاب در موضوعات مختلف نگاشت و به عنوان عضو افتخاری انجمن هنر و علوم آمریکا نیز انتخاب شد. جورج ایری، یکی از اساتیدی که قبل از او در کرسی لوکاسی دانشگاه نشسته بود، دوری ببیج از دانشگاه و مجامع اساتید را به علاقه‌ی کم او به سخنرانی مربوط می‌دانست.

ببیج یک بار با سخنرانی در مبحث اقتصاد سیاسی، نظریات خود در مورد روش تدریس و تحقیق دانشگاهی را نیز بیان کرد. او در سال ۱۹۳۱ عنوان کرد که آموزه‌های دانشگاهی باید شمول بیشتری روی علوم متنوع داشته باشند و علاوه بر آن، سرفصل دروس باید گسترش یابد و همچنین، مباحث آموزشی با اهداف کاربردی‌تر انتخاب شوند.

در همین دوران تدریس، ببیج تلاش‌های متعددی برای ورود به دنیای سیاست نیز داشت. او برای نمایندگی در پارلمان انگلستان کاندید شد و البته با شکست در انتخابات سال‌های ۱۸۳۲ و ۱۸۳۴، نتوانست وارد پارلمان شود. او به همراه هرشل و آیوری یک بار نشان انجمن سلطنتی ولفی را دریافت کردند. البته این ریاضی‌دانان هیچ‌گاه نتوانستند نشان سلطنتی شوالیه‌ی بریتانیا یا لقب «سر» را دریافت کنند.

چارلز ببیج در جوامع علمی همیشه به عنوان فردی مبارز و ساختارشکن شناخته می‌شد. اودر نظریات و کتاب‌های متعدد خود تلاش می‌کرد تا روش مدیریت و آموزش انجمن‌های علمی سلطنتی بریتانیا را زیر سوال ببرد و البته در تلاش هم بود تا بر کرسی ریاست این انجمن‌ها تکیه بزند. مایکل فارادی یکی از افرادی بود که در مباحث گوناگون با ببیج مجادله می‌کرد.

اختراعات

چارلز ببیج مانند بسیاری از دانشمندان هم‌عصر خود لقب «دانشمند نجیب‌زاده» را یدک می‌کشید. در آن دوران افراد ثروتمندی که توانایی تامین سرمایه‌ی آزمایشات خود را داشتند، به موفقیت‌های نسبی دست پیدا می‌کردند. البته زمینه‌ی علاقه‌ی ببیج آن چنان گسترده بود که در آن زمان نیز بیش از اندازه متنوع پنداشته می‌شد. به هر حال ببیج در علوم مختلف به آزمایش و بررسی می‌پرداخت و یافته‌هایش آنچنان گسترده بودند که در خلال سال های ۱۸۱۳ تا ۱۸۶۸ حدود ۹۰ مقاله نگاشت. همین گستردگی مطالعات است که القاب متنوعی از مخترع و ریاضی‌دان و دانشمند تا منتقد و فعال اقتصادی همراه نام او می‌آیند.

از میان اختراعات و طرح‌های ببیج می‌توان به سیگنال‌دهی فانوس دریایی، اوفتال موسکوپ، سیستم ارزی اعشاری، سیستم پیش‌بینی حوادث ریلی، نورپردازی چندرنگی سالن تئاتر، ارتفاع‌سنج، لرزه‌نگار و حتی یک بازی رومیزی اشاره کرد. او علاقه‌های متنوعی از رمزنگاری و شطرنج تا حل معما و اسلحه‌سازی داشت. 

طراحی ماشین حساب و کامپیوتر

در زمان حیات ببیج، جداول ریاضی و استفاده از آنها به منظور محاسبات و مسیریابی بسیار مشهور بود. خطاهای موجود در این جداول که عموما به خاطر خطاهای انسانی ایجاد می‌شدند، از چالش‌های مهم ریاضی‌دانان آن زمان بودند. تلاش برای حل این خطاها و طراحی مکانیزمی برای انجام محاسبات، از سال ۱۸۱۲ به ذهن چارلز ببیج خطور کرد. دلایل اصلی ببیج برای ورود به این مبحث، علاقه‌ی او به ایجاد نظم کلی، آشنایی کامل با جداول لگاریتمی و همچنین قرار گرفتن تحت تاثیر مطالعات پاسکال، شیکارد و لایب‌نیتس بود. او اولین ایده‌ها برای طراحی و ساخت ماشین محاسباتی‌اش را در سال ۱۸۲۲ طی نامه‌ای به سر همفری دیوی اعلام کرد.

این ریاضی‌دان بزرگ در ۱۴ ژوئن ۱۸۲۲ برای اولین بار ایده‌ی ساخت ماشینی با نام Difference Engine را به انجمن سلطنتی ستاره‌‌شناسی ارائه کرد. او ایده‌ی خود را در قالب مقاله‌ای تحت عنوان «استفاده از ماشین‌آلات در محاسبات ریاضی و نجوم» بیان کرد. ماشینی که او طراحی کرده بود می‌توانست عملیات چندجمله‌ای‌های ریاضی را با استفاده از روش‌های عددی تفاضل محدود انجام دهد.

انجمن سلطنتی ایده‌ی بیج را پذیرفت و دولت نیز کمکی در حدود ۱۵۰۰ پوند برای ساخت این ماشین به ببیج اهدا کرد. او یکی از اتاق‌های خانه‌اش را برای ساخت این ماشین اختصاص داد. فرایند ساخت ماشین ببیج نیاز به مهارت‌های ساخت و تولیدی زیادی داشت و او علاوه بر استخدام افراد مختلف، خودش نیز با سفر به شهرها متنوع در مورد این فرایندها تحقیق می‌کرد. این ماشین حدود ۲۵ هزار قطعه، ۱۳۶۰۰ کیلوگرم وزن و ۲.۴ متر طول داشت. نتایج تحقیقات و سفرهای او در سال ۱۸۳۲ به صورت کتابی تحت عنوان «اقتصاد ماشین‌آلات و تولید» چاپ شد که مبنای روش تحقیق عملیات امروزی است.

مرگ پدر، همسر و فرزند ببیج در سال ۱‍۸۲۷، فعالیت‌های او در ساخت این ماشین را با وقفه روبرو کرد. به هر حال پس از مدتی او با تشویق همکاران و دوستان خود به ادامه‌ی مطالعه و سفر کردن برای تکمیل طرحش پرداخت. غیبت او در بخش تولید باعث شد تا شایعاتی مبنی بر شکست خوردن پروژه پخش شود؛ اما انجمن سلطنتی به صورت عمومی و گسترده از ببیج حمایت کرد و در چند مرحله، کمک‌های مالی برای پیشرفت پروژه را از دولت دریافت کرد. به هر حال مشکلات ببیج با مدیر تولیدش یعنی جوزف کلمنت بر سر جابجایی قطعات و کارگاه تولیدی ادامه پیدا کرد و در نهایت، او در سال ۱۸۳۴ از ادامه‌ی پروژه منصرف شد. دولت نیز در سال ۱۸۴۲ به طور رسمی پروژه‌ی ساخت ماشین اول ببیج را متوقف کرد. ببیج بار دیگر در خلال سال‌های ۱۸۴۷ تا ۱۸۴۹، طرح پیشرفته‌ای از این ماشین را ارائه کرد که البته کمک‌های مالی لازم را برای تولید دریافت نکرد.

برخی از قطعات ماشین اولیه‌ی ببیج در حال حاضر در موزه ی تاریخ علوم در آکسفورد نگهداری می‌شوند. طراحی‌های ببیج در نهایت در سال ۱۹۸۹ ساخته شدند. ماشین ساخته شده اولین محاسبه‌ی خود را تا ۳۱ رقم انجام داد. ۹ سال بعد نیز موزه‌ی علوم انگستان طرح نهایی پرینتر این دستگاه را نیز تولید کرد. موزه‌ی علوم در مجموع دو دستگاه با استفاده از طرح‌های بهبودیافته‌ی ببیچ طراحی کرد. یکی از این دستگاه‌ها در موزه نگهداری شده و دیگری نیز توسط مولتی‌میلیونر آمریکایی، پائول میرولد خریداری شده است.

ماشین تحلیلی

پس از شکست در پروژه‌ی ماشین دیفرانسیلی، ببیج به فکر ساخت دستگاهی بود که محاسبات بیشتری را از طریق برنامه‌ریزی انجام دهد. او در خلال سال‌های ۱۸۳۳ تا ۱۸۴۲ به ساخت این ماشین مشغول بود. یکی از ایده‌های اساسی او در ساخت این ماشین، استفاده از خروجی‌های خود دستگاه به منظور محاسبات مجدد بود. ماشینی که این ریاضی‌دان طراحی کرد، از بسیاری لحاظ شبیه به کامپیوترهای مدرن است. این ماشین از بخش اصلی (شبیه پردازنده‌های امروزی) و بخش ذخیره‌سازی تشکیل شده بود و اطلاعات میان این دو قسمت رد و بدل می‌شد.

روند ساخت این ماشین بسیار گسترده بود و به سرمایه‌گذاری مالی زیادی نیاز داشت. ببیج با تعدادی از دستیاران خود، حدود ۵۰۰ نقشه‌ی طراحی به همراه اسناد بسیار زیاد محاسباتی را تهیه کردند. ماشین نهایی حدود ۴.۵ متر طول و دو متر عرض داشت که البته هیچ‌گاه ساخته نشد. ببیج تنها توانست نمونه‌هایی کوچک از ماشین خود را تولید کند و در جذب سرمایه برای تولید نهایی با مشکل روبرو شد. در نهایت ساخت این ماشین نیز در سال ۱۸۴۲ متوقف شد. یکی از همکاران ببیج در توسعه‌ی این ماشین، آگوستا آدا کینگ بود. او در مکاتباتی که با ببیج داشت، برنامه‌هایی برای ماشین او طراحی کرد که به همین دلیل، می‌توان لقب اولین برنامه‌نویس تاریخ را به او داد. ببیج تا پایان عمر به تحقیق روی ماشین تحلیلی‌اش مشغول بود.

در سال ۲۰۱۱، محققان بریتانیایی تصمیم گرفتند تا ماشین تحلیلی ببیج را بسازند. آنها پروژه‌ای چندین میلیون دلاری با نام «پلان ۲۸» را شروع کردند. به دلیل آن که طرح‌های ببیج در ارتباط با این ماشین، به دفعات اصلاح شده بودند، این گروه محقق تصمیم گرفتند تا با نظرسنجی های عمومی، توانایی‌ها و ویژگی‌های آن را انتخاب کنند. در صورت ساخت این ماشین، حافظه‌ای معادل ۶۷۵ بایت به همراه سرعت پردازش ۷ هرتز برای آن پیش‌بینی شده است. گروه مورد نظر امیدوار است که این ماشین را در صد و پنجاهمین سالگرد مرگ ببیج در سال ۲۰۲۱ معرفی کند.

زندگی شخصی، افتخارات و مرگ

چارلز ببیج در ۲۵ جولای سال ۱۸۱۴ با جورجیانا ویتمور ازدواج کرد. این زوج هشت فرزند داشتند که تنها چهار نفر از آنها تا سنین بلوغ زنده ماندند. بنجامین هرشل ببیج، جورجیانا ویتمور ببیج، دوگالد برومهد ببیج و هنری پروست ببیج، نام چهار فرزندی بود که زنده ماندند. همسر چارلز در سال ۱۸۲۷ به همراه دو فرزندش و پدر چارلز از دنیا رفت.

آخرین فرند ببیج یعنی هنری، ۶ دستگاه نمونه به کمک طرح‌های پدرش از ماشین Difference را تولید کرد و یکی از آنها را نیز به دانشگاه هاروارد فرستاد. آن نمونه بعدها توسط هاوارد اچ. آیکن مورد مطالعه قرار گرفت و زمینه‌ساز ساخت ماشین هاروارد مارک شد.

در سال ۱۸۲۴، مدال طلای انجمن سطلنتی نجوم به چارلز ببیج اهدا شد. این مدال به خاطر طراحی ماشینی به منظور انجام محاسبات ریاضی و نجوم به این دانشمند داده شد. ببیج خود به عنوان یکی از موسسان این انجمن و همچنین انجمن آمار انگلستان شناخته می‌شود.

این دانشمند بزرگ، افتخارات متعددی نیز در زمینه‌ی رمزنگاری دارد. او توانست کلید رمز ویجنر را که تا آن زمان غیرقابل نفوذ تصور می‌شد، کشف کند. رمزنگاری او کمک زیادی به نیروهای نظامی انگلستان کرد و جزئیات آن تا سال‌ها بعد از کشف، منتشر نشد. به همین دلیل، افتخار کشف این رمز به فردریش کاسیسکی رسید که سال‌ها بعد از ببیج، رمزنگاری را انجام داد.

چارلز ببیج در ۱۸ اکتبر سال ۱۸۷۱ در سن ۷۹ سالگی در خانه‌اش در میلبون از دنیا رفت. جسد او در گورستان سبز کنزال دفن شده است. گزارشات کالبدشکافی، دلیل مرگ او را نارسایی کلیوی و عفونت ادراری بیان کرده‌اند. نیمی از مغز این دانشمند در موزه‌ی علوم هانتر در لندن نگهداری می‌شود. از یادگارهایی که به نام این ریاضی‌دان انگلیسی ساخته و نام‌گذاری شده‌اند می‌توان به پلاک یادگاری از زندگی ۴۰ ساله‌ی او در خیابان دورست، چاله‌ی ببیج روی کره‌ی ماه، موسسه‌ی تحقیقاتی چارلز ببیج، ساختمان ببیج در دانشگاه پلیموث و زبان برنامه‌نویسی ببیج اشاره کرد. فیلم‌ کوتاه ببیج (۲۰۰۸) و رمان تصویری «ماجراهای هیجان‌انگیز ببیج و لاولیس» از یادگارهای هنری مربوط به این دانشمند هستند.