Charles BABBAGE et la Révolution industrielle - ibni

Présentation de Charles BABBAGE :

Charles Babbage né en 1791 à Angleterre, il est le fils de Benjamin Babbage, banquier. Tres tot il entreprit des études de mathématiques et se trouva être d'un niveau supérieur à ses enseignants lorsqu'il entra en 1811 au Trinity College à Cambrigde. Avec Herschel, Peacock et quelques autres, Babbage fonda The Analytical Society afin de promouvoir les mathématiques continentales et de réformer les mathématiques de Newton enseignées à cette époque.
C'est l'un des précurseurs de l'informatique. Il a été le premier à énoncer le principe de l'ordinateur.
A 20 ans, Babbage travailla principalement dans le calcul des fonctions. En 1816 il fut proclamé membre, à 24 ans, de la Royal Society et joua un rôle déterminant dans la création de l’Astronomical Society plutard, qui devint plus tard la Royal Astronomical Society. C’est à cette époque que Babbage se découvrit une passion dévorante pour les machines à calculer. Il travailla une grande partie de sa vie à la construction d'un ordinateur mécanique qu'il appelait machine à différences.

Il n'arriva jamais à l'achever mais une partie du mécanisme est exposée au Musée de la Science de Londres. En 1991, à partir de ses plans on a pu reconstruire une partie de cette machine, qui fonctionna parfaitement. Pour la reconstruire on utilisa les tolérances qui étaient disponibles au XIXe siècle, ce qui nous porte à croire qu'elle aurait pu être construite du vivant de Babbage sous réserve de disposer d'une force motrice suffisante et de métaux assez résistants. Il sera le premier lauréat de la médaille d'or de la Royal Astronomical Society en 1824.  

Dès 1812 Babbage présente une véritable obsession de quantification : " l'on découvrira nécessairement un jour une méthode générale dans le cadre de laquelle il sera possible de réduire toute donnée rationnelle a une sorte de calcul ".

Babbage écrit deux ouvrages " ON THE ECONOMY OF MACHINERY AND MANUFACTURES " et " REFLECTIONS ON THE DECLINE OF SCIENCE IN ENGLAND ".

Différence Engine : En 1834, les travaux sur la machine différentielle se sont arrêtés, suite à un différent entre Babbage et Clément. En 1855, le Swisse George Schuetz construit le modèle de la Machine Différentielle. On la réalise réellement en 1992.

Analytical Engine : Entre1833 et 1842, Babbage travaille sur un nouveau concept d'un Analytical Engine basée sur les cartes perforées de Joseph Marie Jacquard, utilisées en tant que schèmes des opérations et en tant que la mémoire des résultats partiels. L'idée de cette programmation à été réalisée mathématiquement par la confidente de Babbage, après la dispute avec Clément, Lady Ada en 1815, cette  mathématicienne considérée comme la première informaticienne.

En 1890, l'Américain Herman Hollerith refait la machine analytique de Babbage (en 1924 sa compagnie devient I.B.M.) 

Dans la première moitié du 19^ème siècle, Charles Babbage (1791-1871) conçoit les plans de sa machine analytique, aujourd'hui catégorisée comme calculatrice automatique et mécanique à programme externe, avant que George Boole (1815-65) ne produise la première formulation mathématique d'une logique attachée depuis.

Introduction :

         La Révolution industrielle, je préfère parle aujourd'hui d'industrialisation en plusieurs phases, est une période très importante de l'histoire de l'humanité.

 Cette « grappe d'innovation », pour reprendre l'expression de Joseph Schumpeter, fut d'une ampleur telle qu'elle a pu apparaître comme une véritable rupture au niveau des techniques.

Dès lors, l'automatisation et le perfectionnement devient pour elles un enjeu vital, divers traitements scientifiques ont ouvert le chemin vers le traitement scientifique de l'information qui apparaîtra plutard.

Certes il y a eut quelques inventions précédant l'invention de la calculatrice automatique de Babbage. Mais, dans un certain le contexte, c'est lui qui devrait nous intéresser le plus.

En effet à l'époque en Angleterre, autour de ces réformateurs qui sont en général convoqués indépendamment les uns des autres, mais qui appartiennent à un même  groupe d'algébristes  impliqués dans la réorganisation de la science, Babbage, Herschel, de Boole, et d'autres auteurs moins connus, un réseau d'algébristes anglicans renouvelle singulièrement la conception même de l'algèbre, à tel point que leur travail est le plus souvent interprété comme l'émergence des travaux sur l'algèbre abstraite.

Ces algébristes, nourris de l'empirisme et de la philosophie du langage de Locke, n'interviennent pourtant pas dans une perspective constructiviste.

Jouant plutôt des rôles de médiateurs, ils utilisèrent l'algèbre comme logique du calcul, et de rapprocher l’algèbre symbolique et des engins.

De plus s'interrogeant sur le rôle de la science et les nouvelles exigences autour de l’art analytique, Ils analysèrent les conditions d’élaboration de l’algèbre symbolique en Angleterre, et ce en regardant de près le fossé entre le développement industriel et les institutions, notamment universitaires.

La réconciliation possible entre les conceptions newtonienne et leibnizienne du calcul infinitésimal et la réflexion générale sur l’Algèbre comme langage était un des buts recherchés, et rappelons qu'il y eu deux ruptures majeures.

Enfin, Matérialisation des opérations était aussi un des objectifs, c'est ainsi qu'entre autres l'idée géniale des machines est apparue, puis la réflexion sur les possibilités de cette machine universelle.

Dans la suite de notre travail,  il s'agira pour nous de proposer, une lecture plus contextuelle de ses résultats, afin d'éclairer un peu plus leur place parmi les facteurs de la période concernée, Une médiation marquée par un premier rapprochement entre algèbre et logique. Ensuite on essayera de restituer concrètement l'entreprise de ce réformateur anglican parmi les effets, conceptuels et institutionnels, de la Révolution Industrielle.

Développement :

Babbage dans le contexte de la révolution industrielle

Certains caractérisant la révolution industrielle plutôt comme une rupture brusque avec le passé. Nous autres y voyons plutôt la convergence de successions d'éléments que le contexte historique a favorisés, généralisés et conduit au XIX^e siècle.

Dès le XVIII^ème siècle on s'est posé le problème de l'exécution d'importantes suites de calculs en vue de la réalisation de tables usuelles des fonctions trigonométriques et logarithmes qui répondaient à des désirs et des besoins  à se développer notamment dans les secteurs : des infrastructures, Cadastre, navigation, artillerie, statistiques, calculs d'intérêts, astronomie et autres.

          Toute sa vie, Babbage affaira à différents courants de pensée de son époque, et élabora ce qui eut suffi à assurer son prestige même sans l'invention de son célèbre moteur analytique (Difference and Analytical Engine). Ses principales publications sont A Comparative View of the Various Institutions for the Assurance of Lives (1826), Table of Logarithms of the Natural Numbers from 1 to 108.000 (1827), Reflections on the Decline of Science in England (1830), Reflections on the Economy of Machinery and Manufactures (1832), Ninth Bridgewater Treatise (1837), et l'autobiographique Passages from the Life of a Philosopher (1864).

Le jeune qui a eu l'occasion en 1820, de participer à la tâche difficile, ennuyeuse et peu fiable de la préparation de tables astronomiques. Il étais chargé de la supervision des calculs, mais même cela l'ennuyait mortellement. C'est cette expérience qui le poussa à développer un premier engin capable d'automatiser ces calculs. Cette machine s'appelait le Difference Engine, et employait des techniques mathématiques très simples (les mêmes qui étaient utilisées pour les calculs manuels) pour calculer les tables, ou tout autre tâche qui se réduisait au calcul des polynômes. On sait aussi que c'est lui qui a introduit beaucoup d'oeuvres de mathématiciens français en Angleterre.

                Une des marges de la révolution industrielle

         La Difference Engine, avec son principe qui est le suivant : il employait la méthode des différences finies. L'exemple le plus simple, est celui du calcul de la suite des carrés des entiers naturels.

Bien entendu, le Difference Engine, conçu au XIXième siècle, était entièrement mécanique, et innovait d'ailleurs beaucoup dans les procédés envisagés pour sa fabrication. Il faut dire que la précision nécessaire au bon fonctionnement de la machine était à la limite de ce qui était possible à l'époque. Babbage réussit à établir des plans complets pour sa machine, et parvint même à en construire un prototype plus réduit, qui montra que le concept était parfaitement au point. Mais le Difference Engine ne fut jamais construit par Babbage, bien qu'il remplissait en théorie parfaitement le rôle qu'on lui attribuait. Alors pourquoi cette fin malheureuse du projet ?

                           Marges des tables, la "Difference Engine"

         Conçu au XIXième siècle, la machine aux différences était entièrement mécanique, et innovait d'ailleurs beaucoup dans les procédés envisagés pour sa fabrication. Il faut dire que la précision nécessaire au bon fonctionnement de la machine était à la limite de ce qui était possible à l'époque. Babbage réussit à établir des plans complets pour sa machine, et parvint même à en construire un prototype plus réduit, qui montra que le concept était parfaitement au point. Mais le Difference Engine (" Difference Engine " ou machine à calculer selon les différences finies (nom traduit à tort en français par « machine à différences ») ne fut jamais construit par Babbage, bien qu'il remplissait en théorie parfaitement le rôle qu'on lui attribuait.

Dès 1813, il avait déjà envisagé l'intérêt d'une telle machine, il en entreprit la réalisation en 1823. Cette machine ne devait pas imprimer directement les tables mais estamper des feuilles de plomb utilisées après pour l'impression. On retrouve là le souci de préparer des clichés pour l'impression de tables numériques, c'était tres ambitieux déjà entre temps. Il avait été très intéressé par le procédé d'impression stéréotype de DIDOT.
La tentative de réalisation de cette machine fut pour Babbage une véritable épopée (problèmes d'argent, contrats mal rédigés, escroqueries, bref un chemin parsemé d'embuches).   

Le Difference Engine, son principe est le suivant : il employait la méthode des différences finies grâce aux équations aux dérivées partielles (développements en série & approximations successives) qui conduisait à effectuer de très grands nombres d'additions en chaîne. L'exemple le plus simple, est celui du calcul de la suite des carrés des entiers naturels.

 L’utilité se faisait ressentir

         Pour en donner une simple illustration, Marie-Riche baron de PRONY, ingénieur des Ponts et Chaussées qui fut responsable du cadastre en 1791 eut connaissance des travaux de l'économiste Adam SMITH (intérêt de la division du travail en tâches élémentaires, annonçant l'organisation du travail qui sera celle de la société industrielle du XIX^ème siècle.)

         En son temps il avait mis en place un grand centre de calcul composé de personnes départagées dans deux bâtiments pour réaliser des tables à 14 décimales. Le grand problème était celui des erreurs. C'est pourquoi on effectuait les calculs en double en deux lieux séparés significativement nommé  « manufacture à logarithmes ».

         En 1760 le grand astronome Jérôme de la LANDE avait réalisé avec 30 calculateurs une table portative à 6 décimales qui fit l'objet de nombreuses réimpressions chaque fois agrémentée de nouvelles fautes. Le problème des fautes était si important que, dans la préface, on invitait les usagers à signaler à l'imprimeur les erreurs rencontrées à chaque fois.

         En 1805, un procédé d'édition dit « stéréotype»dû à Firmin DIDOT permit de conserver les pages composées d'une édition à l'autre. Ainsi non seulement on n'introduisait plus de nouvelles fautes à chaque composition mais au contraire on supprimait d'une édition à l'autre les erreurs découvertes.

         C'est ainsi que notre jeune mathématicien anglais de l'université de Cambridge, Charles BABBAGE  qui était aussi un inventeur qui exerça son talent dans des domaines variés, rendit visite au baron de Prony à Paris en 1819 et, impressionné par l'ampleur des tâches répétitives nécessaires pour la réalisation des tables, il eut l'idée de réaliser un calculateur spécialisé effectuant automatiquement ce travail.
La tentative de réalisation de cette machine fut pour Babbage une véritable épopée (problèmes d'argent, contrats mal rédigés, escroqueries, bref un chemin parsemé d'embuches).

En 1834, il inventa le principe du moteur analytique, la base de tout ordinateur moderne.

 Inachevée, cette machine fut cédée en l'état à la Couronne britannique en 1843. La Jolie chose se trouve exposée au Science Museum de South Kensington à Londres.
L'idée fut reprise en 1840 par un Suédois, George SCHEUTZ (1785-1873), et menée à bien sous une forme plus simple qui n'était pas celle de Babbage. Le financement en avait été assuré par une souscription publique après divers refus de financement institutionnel. Achevée en 1853, la première machine fut présentée dans de nombreux pays, reçut de nombreuses récompenses en Angleterre, en France (exposition universelle de 1855) mais ne trouva acquéreur qu'aux USA pour les calculs de l'observatoire d'Albany. Elle est exposée maintenant au musée technique de la Smithsonian Institution de Washington. Une seconde machine construite en Angleterre en 1859, y trouva preneur, fut exploitée jusqu'en 1914 pour calculer des tables numériques, et se trouve maintenant au Science Museum de South Kensington.
Les progrès techniques liés au développement de la mécanographie, les importants besoins en tables numériques conduisirent à la réalisation jusqu'en 1930 de diverses machines à calculer par différences finies.
N'oublions pas de mentionner la réalisation très élégante faite en Suède en 1859 par Martin WIBERG (1826-1905), un inventeur universel qui exerça ses talents dans pratiquement tous les domaines et suggéra la construction d'un avion à réaction ! La machine de Wiberg se trouve au Musée Technique de Stockholm.

Enfin, citons aussi le monstre réalisé en 1876 aux USA par G.B. GRANT, les projets de Léon BOLLÉE (que nous connaissons déjà) de Percy LUDGATE etc. jusqu'à la réalisation faite en 1928 à New York par W.G. ECKERT, en bricolant une tabulatrice mécanographique IBM.

                                         L' "Analytical Engine "

En fait, à ce stade, le Difference Engine, trop limité aux yeux de son inventeur, avait perdu pour Babbage tout son intérêt. Son nouveau projet, beaucoup plus ambitieux, était de réaliser une machine à calculer universelle, c'est à dire programmable : le Analytical Engine.

         Alors qu'il travaillait à la réalisation de sa "Difference Engine ", Charles BABBAGE fit en 1833 une rencontre décisive : celle d'Ada LOVELACE, née en 1815, fille de Lord BYRON et personnalité scientifique d'une qualité exceptionnelle. De cette amitié naquit en 1834 une idée de génie : celle d'une machine universelle à effectuer toutes sortes de suites de calculs par simple changement d'un programme de commande modifiable : l'"Analytical Engine ". En fait, il inventa là : le principe même du moteur analytique, la base de tout ordinateur moderne.

 
         L'idée fondamentale et de base de cette machine consistait à utiliser le métier à tisser de Jacquard qui se programmait par cartes perforées pour commander un calculateur mécanique, lui envoyer des données, en extraire les résultats, imprimer ceux-ci à l'extérieur et le tour est joué.

         À cette époque, les métiers de Jacquard se répandaient dans toute l'Europe ainsi que l'Arithmomètre de Thomas de Colmar qui était le calculateur le plus perfectionné alors en usage.

         Charles BABBAGE définit toutes les fonctions nécessaires à la réalisation d'un calculateur universel et ce dans les moindres détails :  L'Analytical Engine comprenait l'essentiel des éléments que l'on retrouve dans les ordinateurs modernes, mais sous forme mécanique plutôt qu'électronique. Jugez plutôt : il y avait quatre composants principaux : le moulin (le processeur), le magasin (la mémoire), et les modules d'entrée et de sortie. La mémoire permettait de stocker les variables et les résultats, soit un total de 1000 nombres de 50 chiffres. Le moulin acceptait des nombres du magasin, leur appliquait l'une des quatre opérations de base, et les rangeait dans le magasin. La machine était programmable grâce aux cartes perforées sur le modèle de Jacquard, et pouvait lire sur ces cartes à la fois des instructions et des données. Les instructions permettaient en particulier des tests, et donc des branchements conditionnels, un concept extrêmement avancé pour l'époque, et qui ne réapparaîtra qu'avec les premiers ordinateurs numériques électroniques après la Deuxième Guerre Mondiale. Enfin, la machine était capable de transcrire les résultats sur des feuilles de cuivre, pour que l'utilisateur garde une trace des calculs. , en un mot TOUS les organes d'un ordinateur moderne, surprenant n'est ce pas à cette période déjà? Ce concept extrêmement avancé pour l'époque ne réapparaîtra qu'avec les premiers ordinateurs numériques electroniques après seconde Guerre Mondiale. Enfin, la machine était capable de transcrire les résultats sur des feuilles de cuivre, pour que l'utilisateur garde une trace des calculs. La description complète de sa machine fut publiée par Ada LOVELACE en 1842 dans un remarquable article resté célèbre, Son article resta l'unique description détaillée de l'invention de Babbage jusqu'aux années 1980. Elle y disait, je la cite : « la machine analytique tissera des motifs algébriques comme les métiers de Jacquard tissent des fleurs et des feuilles ». Dans cette publication, Ada LOVELACE expliquait comment écrire des programmes, conseillait et en outre suggérait (remarque essentielle dont on ne vit les conséquences que bien plus tard) qu'on modifie la machine pour agir sur le déroulement du programme en fonction de certains résultats avec beaucoup de finesse.

Malgré tous ses travaux, l'impossibilité technique de réaliser ses machines à calculer ainsi que le manque de volonté du gouvernement à soutenir ses travaux, laissèrent notre Babbage bien amer dans ses années, Il ne put pas mener à bien la construction de sa nouvelle machine car il mourut ruiné en 1871 car un engin mécanique d'une telle complexité était excessivement coûteux.

C'est peu de temps après que son fils Henry reprit son œuvre et réalisa une partie de la machine en 1880. C'est précisément en 1888, qu'elle put calculer et imprimer les 44 premiers multiples de p.
En 1896, il en fit don également au Science Muséum de Londres, elle s'y trouve toujours et en 1906, on s'en servait pour calculer quelques tables d'astronomie. Ajoutons aussi que beaucoup d'autres savants telles que Stibitz cherchèrent à concrétiser les théories de calcul développées par Babbage.

Les limitations fondamentales de ce fameux engin

         La machine analytique de BABBAGE ou dirai je l'ordinateur version Babbage possédait tous les organes d'un ordinateur moderne. Toutefois la technologie utilisée au siècle dernier en rendait la réalisation extrêmement difficile. En cherchant des idées par ci par là, même une machine à vapeur avait même été envisagée pour la commander. Mais surtout elle avait un défaut structurel qu'on ne vit vraiment qu'un siècle plus tard. Et ce défaut structurel découlait des conceptions scientifiques de l'époque. Il y avait une séparation totale entre l'organe de commande : le programmeur à cartes qui contenait les ordres de commande et les autres organes et informations, en particulier les données et résultats du calcul. L'idée que les résultats de calcul puissent réagir sur la commande était alors une hérésie intellectuelle. Aujourd'hui, et nous le verrons plus loin en étudiant l'ordinateur, on appelle machine de Babbage opposée à l'ordinateur un calculateur universel à programme externe totalement indépendant des données et résultats de calcul.
Cette idée que le résultat d'une action puisse réagir sur une commande a émergé lentement au cours du XIX^ème siècle. Par contre il faudra attendre le XX^ème siècle pour qu'on se permette de traiter automatiquement les ordres de commande comme de vulgaires données. Nous sommes là au coeur du fondement conceptuel de la révolution informationnelle. En effet c'est en 1865 que le français Claude BERNARD, fondant la physiologie comme science, montre l'importance de la rétroaction comme base des phénomènes de la vie, allant même jusqu'à pressentir la psychosomatique.

 Et c'est en 1859 que, selon la même démarche intellectuelle, naquit une des plus grandes inventions de l'histoire des techniques : le servomoteur de Joseph FARCOT. Cet ingénieur créatif avait amélioré le régulateur à boules de Watt, servomécanisme empirique. Là sans doute il trouva la solution d'un grand problème : on utilisait des machines à vapeur pour faire avancer de puissants vaisseaux cuirassés. Mais on était incapable d'utiliser la force motrice de la vapeur pour positionner un gouvernail de plusieurs tonnes. On utilisait toujours des cabestans mus par des équipes de matelots ! FARCOT eut l'idée de faire commander l'action de la vapeur sur le piston du gouvernail à partir d'une information prélevée sur la position de celui-ci. Il s'agissait d'une rétroaction : l'effet réagissant sur la commande. Les cuirassés géants devinrent immédiatement maniables à l'aide d'une simple roue de commande. En Grande Bretagne, à peu près à la même époque et pour les mêmes raisons, John Mc FARLANE GRAY inventait un dispositif similaire. Et la théorie mathématique en fut élaborée par MAXWELL en Angleterre et WISCHNEGRADSKII en Russie.

Conclusion

         A la lumière de tout ce qui précède on peut affirmer que Charles Babbage s'inscrit dans une perspective non constructiviste dans la révolution industrielle, mais comme un médiateur entre divers formes de savoirs.

Ce réformateur anglican affaira à différents courants de pensée de son époque.

D'autre part cet algébriste pas comme les autres était trop en avance sur son temps. Les idées qu’il a développées étaient prématurées, à son époque. En effet en 1840, le problème fondamental mis à part le manque de moyen financier de Babbage était l'inutilité d'une machine comme celle là. Ce constat perdure encore longtemps, puisqu'il faudra attendre les années 1940 avant que les chercheurs ne s'intéressent de nouveau aux calculateurs digitaux de ce type. Inventer."L’ordinateur" était impensable en son temps. Pourtant, aujourd’hui, Babbage est considéré comme l’un des pères de l’informatique. C’est en améliorant la conception de sa première machine qui n’était destinée qu’à des calculs complexes que Babbage est peu à peu parvenu à concevoir la "machine analytique". Sa portée est révolutionnaire ! Selon Ada Lovelace, son assistante, la machine pourrait donner "des résultats symboliques et des résultats numériques".

Mais ce n’est pas tout, la machine est programmable ! La machine analytique n’a nullement la prétention de créer quelque chose par elle-même. Elle peut exécuter tout ce que nous saurons lui ordonner d’exécuter". Ada devient la première programmatrice de l’histoire et donnera son prénom à un langage de programmation plus d’un siècle plus tard.

L’ordinateur était inconcevable à cette époque. Babbage, la conçu. La réalisation d’un ordinateur était irréalisable avec la technologie mécanique de l’époque. Babbage n’a rien pu y faire. Sa conception n’en reste pas moins l’un des plus importants accomplissements théoriques du XIX° siècle.

Beaucoup associe la reconnaisse de l'«idée moderne de constante physique » à l'entreprise menée par Babbage quand il invite ses contemporains à recenser toutes les constantes connus dans « les sciences dans l'art» (Haking par exemple disait : Babbage vient de couronner ces travaux et rend publique ce qui était dans l'esprit de nombre de ces contemporains : le Monde peut être défini comme un  ensemble de nombres que l'on pourrait appeler des constantes). 

Somme toute, on doit réaffirmer le caractère progressif des phénomènes : Le L'ensemble de ce réseau d'algébriste  imposèrent cette science à l’université et l'enracinèrent sur les pratiques inventives.

Le calcul logarithmique démontra à Babbage l'incapacité de l'être humain à réaliser de tels calculs, et il devint si obsédé par l'utilisation d'automates mécaniques de calculs qu'il s'investit au maximum pour poursuivre ses travaux malgré le manque de moyen. On peut dire que bien que Babbage n'ait jamais pu réaliser un ordinateur mécanique opérationnel mais au fur et à mesure il y a eut des progrès et ses concepts ont été validés et un ordinateur conçu selon ses plans fut réalisé récemment.

 On peut rendre hommage à cet  homme qui est le premier à avoir conçu une machine qui regroupe, les principes essentiels de l'informatique moderne : une mémoire et un calculateur programmable.

Et ce qui est remarquable c'est qu'il s'agisse de la machine de Babbage ou du dernier des processeurs actuellement sur le marché, le temps d'exécution croit de façon exponentielle avec la taille des données traitées.  

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