Появление компьютеров нового поколения обычно относят к 1890 году, когда правительство США решило провести перепись населения. Подсчет результатов должен был продлиться десять лет. Однако при помощи устройства Германа Холлерита (1860-1929), чье аппаратное обеспечение основывалось на перфокартах Жаккара, а программное — на булевой алгебре, перепись завершилась за рекордно короткий срок — за два года. Немного позже, в 1924 году, была создана первая компания по производству подобных вычислительных машин, International Business Machine Corporation (IBM).
Фон Нейман впервые стал использовать перфокарты для математических вычислений. Его брат Николас вспоминал, что эта идея пришла ему в голову, когда они еще жили в доме своих родителей в Будапеште. Их отец, который всегда хотел заинтересовать сыновей миром бизнеса, часто подробно рассказывал им о влиянии экономики на общество и культуру. Банк, директором которого был Макс Нейман, недавно инвестировал в инновационную ткацкую фабрику. Деньги были нужны для закупки станков Жаккара.
Фон Нейман знал, как важна была связь теории с практикой, устанавливаемая посредством опытов. Данные, полученные опытным путем, помогали скорректировать теорию.
Введение новых методов исчисления способствовало большому прогрессу в науке, и фон Нейман полагал, что применение компьютеров стало бы серьезным шагом в этом направлении. Однако для этого требовались новые числовые методы. Особое значение имеет вклад фон Неймана в создание методов числовой стабильности, вычисления обратных матриц и приближения функций в дискретных точках.
Благодаря исследованиям в области баллистических траекторий и распространяющихся волн фон Нейман стал востребованным экспертом у военной элиты. Но это было только начало эксперимента, который привел к реализации одного из самых выдающихся научных проектов и одновременно с этим стал одним из самых ярких примеров разрушительных возможностей человека. И ученый фон Нейман принял наиболее активное участие в этом проекте.
АТОМНАЯ БОМБА
Шел 1944 год. Перед союзниками забрезжила возможность победы. Роммель проиграл битву в Северной Африке, Италия больше не хотела следовать за сумасшествием Гитлера, а американские войска завоевали Сицилию, стратегический пункт для контроля над Средиземным морем. Советская армия выиграла битву под Сталинградом и начала наступление, хотя ей и мешало плохое состояние дорог после одной из самых суровых зим в Восточной Европе. Однако до конца войны было еще далеко. Немецкая армия прочно засела в оккупированных странах, и ни один солдат союзников не мог туда проникнуть. В сентябре того же года вермахт запустил «Фау-2», улучшенную версию «Фау-1». Это была первая военная ракета, созданная на секретном полигоне в Пенемюнде под руководством инженера Вернера фон Брауна. Это оружие вызывало панику: его было очень трудно обнаружить, а подлетало оно неслышно, так как двигалось со скоростью, превышающей скорость звука. Эти ракеты имели большой психологический эффект, но как оружие были весьма спорными. Больше людей погибло при работе над «Фау-2», чем от нее самой на поле боя. Главные недостатки ракеты объяснялись двумя факторами: во-первых, ее навигационным устройствам ракеты недоставало точности, а во-вторых, ее взрывная мощность была относительно слабой. «Фау-2» вмещала 975 кг аммотола (смеси аммиачной селитры и тротила), которые, если ракета была точно направлена на цель, могли привести к катастрофическим последствиям, но если она падала недалеко от городской застройки (как это и происходило чаще всего), то просто создавала кратер средних размеров.
Однако немцы утверждали, что они располагают секретным оружием, которое способно переломить ход войны и подарить им победу. Разумеется, речь шла не об улучшении навигационной системы ракеты, а о замене взрывного вещества: последствия взрыва должны быть настолько разрушительными, что точность воздействия уже не имела значения. Немцы собирались создать первую атомную бомбу в истории. Для этого у них были все необходимые компоненты: тяжелая вода производилась на норвежском предприятии Norsk Hydro, уран поставлялся с самого большого месторождения в мире в Бельгийском Конго. Германия имела явное преимущество, но она потеряла шанс использовать самых блестящих ученых.
Первая атомная бомба основывалась на процессе расщепления ядра обогащенного урана, которое сопровождалось уменьшением массы (см. рисунок). Эйнштейн в рамках своей теории относительности вывел знаменитое уравнение Е=mc2, согласно которому уменьшение массы вызывает выброс энергии (так как скорость света с — постоянная величина). Первым, кто понял, что имеющихся знаний достаточно для создания атомной бомбы, был венгерский физик Лео Силард (1898— 1964). Именно он спроектировал устройство и в 1933 году запатентовал свою разработку, чтобы никто не смог ею воспользоваться. В 1939 году Силард переехал в Нью-Йорк, где вместе с итальянским физиком Энрико Ферми (1901-1954) начал работу над первым ядерным реактором в мире. Именно тогда было решено, что наиболее подходящий элемент для провоцирования цепной реакции — уран.
Узнав, что немцы уже работают над ядерной бомбой, Лео Силард вместе с Эдвардом Теллером (1908-2003) и Юджином Вигнером (1902-1995) — все трое были венгерскими евреями — убедили Эйнштейна написать президенту Рузвельту письмо, предупреждавшее его об опасности. Так родился Манхэттенский проект.
Схема взрывного механизма, в котором одна из субкритических масс выстреливается посредством условного взрывного вещества и попадает в другую субкритическую массу.
МАНХЭТТЕНСКИЙ ПРОЕКТ
Президент США Франклин Делано Рузвельт подписал 7 декабря 1941 года приказ о создании атомной бомбы. Была образована междисциплинарная команда при участии различных отделений университетов Колумбии, Калифорнии и Чикаго.
Ее целью было создание первой бомбы, основанной на делении ядра. Научным директором проекта был назначен Роберт Оппенгеймер (1904-1967), а ответственным со стороны армии стал генерал Лесли Гровс (1896-1970). Всего в Манхэттенском проекте приняли участие более 125 тысяч человек. Вероятно, одной из главных заслуг Гровса (если не единственной) было обеспечение абсолютной секретности проекта, который стал чуть ли не самой большой тайной в истории. Над ним работали всемирно известные ученые, такие как Ричард Фейнман, Эдвард Теллер, Энрико Ферми, Ричард Уилкинс, Станислав Улам, Луис Злотин, Клаус Фукс, а также фон Нейман, спроектировавший механизм поджигания.
Фон Нейман, уже давно работавший в области гидродинамики, разработал устройство, которое при детонации производило ударную волну, а та, в свою очередь, вызывала немедленное сжатие ядра плутония. Объем этого ядра был достаточно большим для того, чтобы масса плутония была меньше критической. При равномерном сокращении объема ядро достигало сверхкритической массы. Математическая модель, лежащая в основе изобретения, базировалась на системе конечно-разностных уравнений, а для их решения требовался компьютер, способный производить огромное количество сложных вычислений за кратчайшее время. Фон Нейман разработал алгоритм, необходимый для решения уравнений, но вполне вероятно, что без помощи компьютера его предложение было бы невыполнимым. Манхэттенский проект длился 2 года, 3 месяца и 16 дней. Первая атомная бомба в истории была взорвана в пустыне рядом с городом Аламогордо 16 июля 1945 года.
ENIAC
В июле 1943 года в Электротехнической школе Мура при Пенсильванском университете началось строительство нового компьютера, которому суждено было стать краеугольным камнем в истории вычислительных машин. Его назвали ENIАС (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и вычислитель). Это был проект высочайшей секретности, который имел кодовое название РХ. ENIAC считается первым компьютером в истории, хотя некоторые полагают, что пальма первенства принадлежит «Колоссу» (Colossus), запущенному в середине февраля 1944 года в Блетчли-парке — военном объекте, расположенном в графстве Бакингемшир, Англия.