Douglas Hartree - Douglas Hartree


Douglas Rayner Hartree

Hartree,Douglas 1934 Londyn.jpg
Douglas Hartree na Międzynarodowej Konferencji Fizyki, Londyn 1934
Urodzić się
Douglas Rayner Hartree

( 1897-03-27 )27 marca 1897
Cambridge , Cambridgeshire, Anglia, Wielka Brytania
Zmarł 12 lutego 1958 (1958-02-12)(w wieku 60)
Cambridge , Cambridgeshire, Anglia, Wielka Brytania
Narodowość brytyjski
Alma Mater St John's College, Cambridge
Znany z
Nagrody Członek Towarzystwa Królewskiego
Kariera naukowa
Pola analiza numeryczna
fizyka atomowa
Instytucje Uniwersytet w Manchesterze
Ministerstwo Zaopatrzenia
Uniwersytet Cambridge
Doradca doktorski Ralph H. Fowler
Doktoranci

Douglas Rayner Hartree FRS (27 marca 1897 - 12 lutego 1958) był angielski matematyk i fizyk, najbardziej znany dla rozwoju analizy numerycznej i jej zastosowania do równań Hartree-Focka z fizyki atomowej i budowy analizatora różnicowego przy użyciu Meccano .

Wczesne życie

Douglas Hartree urodził się w Cambridge w Anglii. Jego ojciec, William, był wykładowcą inżynierii na Uniwersytecie w Cambridge, a matka, Eva Rayner , była przewodniczącą Narodowej Rady Kobiet Wielkiej Brytanii i pierwszą kobietą na stanowisku burmistrza miasta Cambridge. Jednym z jego pradziadków był Samuel Smiles ; innym był inżynier okrętowy William Hartree, partner Johna Penna . Douglas Hartree był najstarszym z trzech synów, którzy przeżyli niemowlęctwo. Brat i siostra zmarli w dzieciństwie, kiedy był jeszcze dzieckiem, ale jego dwaj bracia również zginęli później. Siedmioletni brat Hartree, John Edwin, zmarł, gdy Hartree miał 17 lat, a 22-letni brat Hartree, Colin William, zmarł na zapalenie opon mózgowych w lutym 1920 r., gdy Hartree miał 23 lata.

Hartree uczęszczał do St John's College w Cambridge, ale pierwsza wojna światowa przerwała jego studia. On (oraz jego ojciec i brat) dołączył do grupy pracującej nad balistyką przeciwlotniczą pod AV Hill , gdzie zdobył znaczne umiejętności i stałe zainteresowanie praktycznymi obliczeniami i metodami numerycznymi równań różniczkowych, wykonując większość własnych prac ołówkiem i papierem .

Po zakończeniu I wojny światowej Hartree wrócił do Cambridge, uzyskując w 1922 r. dyplom z nauk przyrodniczych drugiego stopnia.

Obliczenia struktury atomowej

W 1921 r. wizyta Nielsa Bohra w Cambridge zainspirowała Hartree do zastosowania swoich umiejętności numerycznych w teorii atomu Bohra, za co uzyskał doktorat w 1926 r. – jego doradcą był Ernest Rutherford . Wraz z opublikowaniem równania Schrödingera w tym samym roku, Hartree był w stanie zastosować swoją wiedzę o równaniach różniczkowych i analizie numerycznej w nowej teorii kwantowej . Wyprowadził równania Hartree dla rozkładu elektronów w atomie i zaproponował metodę pola samouzgodnionego do ich rozwiązania. Funkcje falowe z tej teorii nie spełniały zasady wykluczania Pauliego, dla której Slater wykazał, że wymagane są funkcje determinantowe. V. Fock opublikował „równania z wymianą”, znane obecnie jako równania Hartree-Focka . Są one znacznie bardziej wymagające obliczeniowo, nawet przy efektywnych metodach zaproponowanych przez Hartree do obliczania wkładów walutowych. Obecnie równania Hartree-Focka mają ogromne znaczenie w dziedzinie chemii obliczeniowej i są stosowane i rozwiązywane numerycznie w większości programów teorii funkcjonału gęstości wykorzystywanych do obliczeń struktury elektronowej cząsteczek i układów fazy skondensowanej.

Manchester lat

Analizator różnicowy zaprojektowany przez Douglasa Hartree w Muzeum Nauki i Przemysłu w Manchesterze.

W 1929 roku Hartree został mianowany kierownikiem Katedry Matematyki Stosowanej im. Beyera na Uniwersytecie w Manchesterze . W 1933 odwiedził Vannevara Busha w Massachusetts Institute of Technology i z pierwszej ręki poznał jego analizator różnicowy . Natychmiast po powrocie do Manchesteru przystąpił do budowy własnego analizatora z Meccano . Widząc potencjał dalszego wykorzystania jego metod numerycznych przy użyciu maszyny, przekonał Sir Roberta McDougalla do sfinansowania solidniejszej maszyny, która została zbudowana we współpracy z Metropolitan-Vickers .

Pierwszym zastosowaniem maszyny, odzwierciedlającym entuzjazm Hartree dla kolei, było obliczenie rozkładów jazdy dla kolei londyńskiej, midlandzkiej i szkockiej . Resztę dekady spędził na stosowaniu analizatora różniczkowego do znajdowania rozwiązań równań różniczkowych występujących w fizyce. Obejmowały one teorię sterowania i teorię laminarnej warstwy granicznej w dynamice płynów, wnosząc istotny wkład w każdą z tych dziedzin.

Analizator różniczkowy nie nadawał się do rozwiązywania równań z wymianą. Kiedy publikacja Focka wyprzedziła prace Hartree nad równaniami z wymianą, Hartree skierował swoje badania na propagację fal radiowych, co doprowadziło do powstania równania Appletona-Hartree . W 1935 roku jego ojciec, William Hartree, zaproponował, że wykona dla niego obliczenia. Wkrótce nastąpiły wyniki z wymianą. Douglas uznał znaczenie interakcji konfiguracji , którą nazwał „superpozycją konfiguracji”. Pierwsze wielokonfiguracyjne wyniki Hartree-Fock zostały opublikowane przez ojca, syna i Berthę Swirles (później Lady Jeffreys) w 1939 roku.

Zgodnie z sugestią Hartree, Bertha Swirles przystąpiła do wyprowadzania równań z wymianą na atomy przy użyciu równania Diraca w 1935 roku. Za radą Hartree, pierwsze obliczenia relatywistyczne (bez wymiany) zostały ogłoszone w 1940 roku przez AO Williamsa, ucznia RB Lindsay .

Druga wojna światowa

Podczas II wojny światowej Hartree nadzorował dwie grupy komputerowe. Pierwsza grupa, dla Ministerstwa Zaopatrzenia, została opisana przez Jacka Howletta jako „zakład pracy” do rozwiązywania równań różniczkowych. W momencie wybuchu II wojny światowej analizator różnicowy na Uniwersytecie w Manchesterze był jedynym pełnowymiarowym (ośmiointegratorowym) analizatorem różnicowym w kraju. Poczyniono przygotowania, aby maszyna była gotowa do pracy w celu wsparcia narodowego wysiłku wojennego. Z czasem grupa składała się z czterech członków (od przodu do tyłu: Jack Howlett, Nicholas R. Eyres, JGL Michel; środek, Douglas Hartree; po prawej Phyllis Lockett Nicolson). Problemy zostały zgłoszone grupie bez informacji o źródle, ale obejmowały automatyczne śledzenie celów, propagację radiową, podwodne eksplozje, przepływ ciepła w stali i równanie dyfuzji, które później okazało się służyć do separacji izotopów. Druga grupa to grupa badawcza magnetronów Phyllis Lockett Nicolson , Davida Copely i Oscara Bunemana . Prace wykonano dla Komitetu Koordynacji Rozwoju Zaworów, wspomagającego rozwój radaru. Można by użyć analizatora różnicowego, gdyby dostępnych było więcej integratorów, więc Hartree utworzył swoją grupę jako trzy „CPU” do równoległej pracy nad mechanicznymi kalkulatorami biurkowymi. Jako metodę rozwiązania wybrał to, co jest obecnie klasyczną symulacją cząstek. Hartree nigdy nie opublikował żadnych wyników swoich badań nad magnetronami w czasopismach, chociaż w czasie wojny napisał wiele wysoce technicznych tajnych raportów.

W kwietniu 1944 r. komitet, w skład którego wchodził Hartree, zalecił utworzenie sekcji matematycznej w Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL). W październiku zalecenie to zostało wprowadzone w życie, a jego dwa pierwsze cele to zbadanie możliwości dostosowania automatycznego sprzętu telefonicznego do aparatury naukowej oraz opracowanie elektronicznych urządzeń obliczeniowych nadających się do szybkiego przetwarzania danych. Można podejrzewać, że niektórzy członkowie wiedzieli już o komputerze Colossus . Pierwszym reżyserem był John R. Womersley ( bête noire Turinga ). W lutym 1945 odbył dwumiesięczną podróż po instalacjach komputerowych w USA, w tym wizytę w ENIAC (nadal nieukończoną). Zapoznał się ze szkicami słynnego raportu EDVAC von Neumanna z czerwca 1945 roku . Mniej więcej dwa miesiące później Hartree również pojechał na spotkanie z ENIAC, wtedy jeszcze nie znanym publicznie.

Późniejsze życie i praca

W lutym 1946 roku Max Newman (który był zaangażowany w komputer Colossus ) złożył wniosek do Towarzystwa Królewskiego o fundusze na rozpoczęcie zadania budowy komputera ogólnego przeznaczenia na Uniwersytecie w Manchesterze . Towarzystwo Królewskie skierowało prośbę do Hartree i CG Darwina , dyrektora NPL, aby im doradzić. Hartree zalecił dotację, ale Darwin sprzeciwił się temu, argumentując, że ACE Turinga w NPL wystarczyłoby do zaspokojenia potrzeb kraju. Jednak pogląd Hartree zwyciężył i rozpoczął się rozwój komputerów w Manchesterze .

Hartree kontynuował prace nad systemami sterowania i był zaangażowany we wczesne zastosowanie komputerów cyfrowych , doradzając armii amerykańskiej w zakresie wykorzystania ENIAC do obliczania tablic balistycznych. Latem 1946 Hartree odbył swoją drugą podróż do ENIAC w celu oceny jego zastosowania w szerokim zakresie nauki, kiedy został pierwszym cywilem, który go zaprogramował. W tym celu wybrał problem dotyczący przepływu ściśliwego płynu po powierzchni, na przykład powietrza po powierzchni skrzydła poruszającego się z prędkością większą niż prędkość dźwięku.

Pod koniec 1945 lub bardzo na początku 1946 Hartree poinformował Maurice'a Wilkesa z Uniwersytetu Cambridge na temat porównawczego rozwoju informatyki w USA, który widział. Wilkes otrzymał wówczas zaproszenie od Moore School of Electrical Engineering (konstruktorów ENIAC) do wzięcia udziału w kursie dotyczącym komputerów elektronicznych. Przed wyjazdem Hartree był w stanie przekazać mu pełniejsze informacje na temat ENIAC. To właśnie w domu na łodzi Wilkes zaplanował pierwotny projekt EDSAC , który miał zacząć działać w maju 1949 roku. Hartree ściśle współpracował z Wilkesem przy opracowywaniu zastosowania maszyny do wielu problemów i, co najważniejsze, pokazał użytkownikom z liczba obszarów na uniwersytecie, w jaki sposób mogliby to wykorzystać w swojej pracy badawczej.

Hartree powrócił do Cambridge, aby objąć stanowisko profesora fizyki matematycznej Plummera w 1946 roku. W październiku wygłosił wykład inauguracyjny zatytułowany „Calculating Machines: Recent and Prospective Developments and their impact on Mathematical Physics”. To opisywało ENIAC i pracę, jaką wykonał na niej Hartree. Nawet w 1946 roku, na dwa lata przed urzeczywistnieniem programowania elektronicznego, Hartree dostrzegł potrzebę użycia podprogramów. Jego wykład inauguracyjny zakończył się spojrzeniem na możliwości komputerów. Powiedział: „..jest, rozumiem, wiele problemów ekonomicznych, medycznych i socjologicznych oraz ich znaczenie, które czekają na badania, których obecnie nie można podjąć z powodu ogromnego obciążenia związanego z tym przetwarzania”.

7 listopada 1946 r. The Daily Telegraph , po przeprowadzeniu wywiadu z Hartree, zacytował jego wypowiedź: „Implikacje tej maszyny są tak ogromne, że nie możemy sobie wyobrazić, jak wpłyną one na naszą cywilizację. razy szybciej. W dziedzinie transportu odpowiednikiem ACE byłaby możliwość podróżowania z Londynu do Cambridge… w ciągu pięciu sekund jako normalna rzecz. To prawie niewyobrażalne”.

Czwarty i ostatni wielki wkład Hartree w brytyjskie informatyka rozpoczął się na początku 1947 r., kiedy firma cateringowa J. Lyons & Co. w Londynie usłyszała o ENIAC i wysłała latem tego roku mały zespół, aby zbadać, co dzieje się w USA. ponieważ czuli, że te nowe komputery mogą być pomocne w ogromnej ilości prac administracyjnych i księgowych, które musiała wykonać firma. Zespół spotkał się z pułkownikiem Hermanem Goldstine z Institute for Advanced Study w Princeton, który napisał do Hartree, informując go o swoich poszukiwaniach. Gdy tylko otrzymał ten list, Hartree napisał i zaprosił przedstawicieli Lyonu, aby przybyli do Cambridge na spotkanie z nim i Wilkesem. Doprowadziło to do opracowania komercyjnej wersji EDSAC opracowanej przez Lyons, zwanej LEO , pierwszego komputera używanego do komercyjnych aplikacji biznesowych. Po śmierci Hartree główna siedziba LEO Computers została przemianowana na Hartree House. To ilustruje, w jakim stopniu Lyons czuł, że Hartree przyczyniło się do ich nowego przedsięwzięcia.

Ostatnim słynnym wkładem Hartree do informatyki było oszacowanie w 1950 r. potencjalnego zapotrzebowania na komputery, które było znacznie niższe niż się okazało: „Mamy komputer tutaj w Cambridge, jeden w Manchesterze, a drugi w [NPL]. Przypuszczam, że powinien być taki w Szkocji, ale to wszystko. Takie niedoszacowania liczby wymaganych komputerów były wówczas powszechne.

Ostatnia doktorantka Hartree w Cambridge, Charlotte Froese Fischer , stała się znana z opracowania i wdrożenia wielokonfiguracyjnego podejścia Hartree-Focka ( MCHF ) do obliczeń struktury atomowej oraz z przewidywań teoretycznych dotyczących istnienia ujemnego jonu wapnia .

Zmarł z powodu niewydolności serca w Addenbrooke's Hospital w Cambridge 12 lutego 1958 roku.

wyróżnienia i nagrody

Książki

  • Hartree, DR (1949). Przyrządy i maszyny liczące . Urbana: University of Illinois Press .(także (1950) Cambridge University Press )
  • Hartree, DR (1952). Analiza numeryczna . Wydawnictwo Uniwersytetu Oksfordzkiego .
  • Hartree, DR (1957). Obliczanie struktur atomowych . Nowy Jork: Wiley i Synowie .
  • Hartree, DR (1984). Maszyny liczące: najnowsze i przyszłe osiągnięcia i ich wpływ na fizykę matematyczną oraz przyrządy i maszyny liczące . Seria przedruków Instytutu Charlesa Babbage dla Historii Informatyki. Tom. 6. Cambridge, USA: MIT Press . |volume=ma dodatkowy tekst ( pomoc )

Bibliografia

Dalsza lektura

Poprzedzany przez
Edwarda Arthura Milne
Beyer Katedra Matematyki Stosowanej na Uniwersytecie w Manchesterze
1929–1937
Następca
Sydney Goldstein
Stowarzyszenia zawodowe i akademickie
Poprzedza go
Robert Henry Clayton
Prezes Towarzystwa Literacko-Filozoficznego w Manchesterze
1939-40
Następca
Herberta Johna Fleure