Льюис Фрай Ричардсон

Чтобы узнать о других людях по имени Льюис Ричардсон, см. Льюис Ричардсон (значения) .

Льюис Фрай Ричардсон
Льюис Фрай Ричардсон, доктор наук, ФРС
Рожденный	( 1881-10-11 ) 11 октября 1881 г. Ньюкасл-апон-Тайн , Англия
Умер	30 сентября 1953 г. ( 1953-09-30 ) (71 год) Килмун , Аргайл и Бьют , Шотландия
Гражданство	Великобритания
Альма-матер	Школа Бутэма Даремский научный колледж Королевский колледж, Кембридж
Известный	Фракталы конфликтов Моделирование Экстраполяция Ричардсона
Награды	Член Королевского общества
Научная карьера
Поля	математик физик метеоролог психолог
Учреждения	Национальная физическая лаборатория Национальная торфяная промышленность Университетский колледж Аберистуита Метеорологическая служба Технический колледж Пейсли

Льюис Фрай Ричардсон , ФРС (11 октября 1881 — 30 сентября 1953) — английский математик , физик , метеоролог , психолог и пацифист , который разработал современные математические методы прогнозирования погоды и применение подобных методов для изучения причин войн и способов их предотвращения. Он также известен своей новаторской работой, касающейся фракталов и метода решения системы линейных уравнений, известного как модифицированная итерация Ричардсона .

Ранний период жизни

Льюис Фрай Ричардсон был младшим из семи детей, рожденных Кэтрин Фрай (1838–1919) и Дэвидом Ричардсоном (1835–1913). Это была процветающая семья квакеров . Дэвид Ричардсон владел успешным кожевенным и кожевенным бизнесом.

В 12 лет его отправили в квакерскую школу - интернат Bootham School. в Йорке , где он получил естественнонаучное образование, стимулировавшее активный интерес к естествознанию . В 1898 году он поступил в Даремский научный колледж (колледж Даремского университета ), где прослушал курсы математической физики , химии , ботаники и зоологии . В 1900 году он поступил в Королевский колледж в Кембридже , где его преподавал физику на факультете естественных наук (среди прочих) Дж. Дж. Томсон и окончил его со степенью первого класса в 1903 году. В 47 лет он получил степень доктора математической психологии в Лондонском университете .

Карьера

Трудовая жизнь Ричардсона отражала его эклектичные интересы:

• Национальная физическая лаборатория (1903–1904).
• Университетский колледж Аберистуита (1905–1906).
• Химик Национальной торфяной промышленности (1906–1907).
• Национальная физическая лаборатория (1907–1909).
• Менеджер физико-химической лаборатории компании Sunbeam Lamp Company (1909–1912).
• Манчестерский технологический колледж (1912–1913).
• Метеорологическая служба - руководитель обсерватории Эскдалемюра (1913–1916).
• Отделение скорой помощи «Друзья» во Франции (1916–1919).
• Метеорологическая служба в Бенсоне, Оксфордшир (1919–1920).
• Заведующий физическим факультетом Вестминстерского учебного колледжа (1920–1929).
• Директор Технического колледжа Пейсли , ныне являющегося частью Университета Западной Шотландии (1929–1940).

В 1926 году он был избран членом Товарищества Королевского общества .

Пацифизм

Квакерские убеждения Ричардсона повлекли за собой ярый пацифизм , который освободил его от военной службы во время Первой мировой войны как человека , отказывающегося от военной службы по соображениям совести , хотя это впоследствии лишило его права занимать какую-либо академическую должность. Ричардсон работал с 1916 по 1919 год в отделении скорой помощи друзей 16-й французской пехотной дивизии. После войны он вернулся в Метеорологическое управление, но был вынужден уйти в отставку по соображениям совести, когда в 1920 году оно было объединено с Министерством авиации. Впоследствии он продолжил карьеру на задворках академического мира, прежде чем выйти на пенсию в 1940 году, чтобы исследовать свои собственные идеи. . Его пацифизм имел прямые последствия для его исследовательских интересов. По словам Томаса Кёрнера , Открытие того, что его метеорологические работы представляли ценность для разработчиков химического оружия, заставило его отказаться от всех своих усилий в этой области и уничтожить результаты, которые он еще не опубликовал.

Прогноз погоды

Интерес Ричардсона к метеорологии побудил его предложить схему прогнозирования погоды путем решения дифференциальных уравнений , метод, используемый в настоящее время, хотя, когда он опубликовал «Прогнозирование погоды с помощью численного процесса» в 1922 году, подходящие быстрые вычисления были недоступны. Свои идеи он описал так:

«После столь упорных рассуждений можно ли поиграть с фантазией? Представьте себе большой зал, похожий на театр, за исключением того, что круги и галереи проходят прямо через пространство, обычно занимаемое сценой. Стены этой комнаты расписаны так, чтобы образовать карта земного шара. На потолке изображены северные полярные регионы, Англия - в галерее, тропики - в верхнем круге, Австралия - в бельэтаже и Антарктика - в яме.

Мириады компьютеров [людей, которые занимаются вычислениями] работают над погодой в той части карты, где находится каждый из них, но каждый компьютер занимается только одним уравнением или частью уравнения. Работу каждого региона координирует должностное лицо более высокого ранга. Многочисленные маленькие «ночные знаки» отображают мгновенные значения, чтобы соседние компьютеры могли их прочитать. Таким образом, каждый номер отображается в трех соседних зонах, чтобы поддерживать связь с севером и югом на карте.

Из пола ямы возвышается высокий столб на половину высоты зала. На вершине находится большая кафедра. Здесь сидит человек, отвечающий за весь театр; его окружают несколько помощников и посыльных. Одна из его обязанностей — поддерживать единую скорость прогресса во всех частях земного шара. В этом отношении он подобен дирижеру оркестра, инструментами которого являются логарифмические линейки и счетные машины. Но вместо того, чтобы размахивать дубинкой, он направляет луч розового света на любой регион, идущий впереди остальных, и луч синего света на тех, кто отстает.

Четыре старших клерка на центральной кафедре собирают информацию о будущей погоде так же быстро, как она рассчитывается, и отправляют ее на пневматическом транспортере в тихую комнату. Там его закодируют и перезвонят на радиопередающую станцию. Посыльные несут груды использованных компьютерных форм на склад в подвале.

В соседнем здании находится исследовательский отдел, где изобретают улучшения. Но прежде чем в сложную рутину компьютерного театра будут внесены какие-либо изменения, предстоит провести немало экспериментов в небольших масштабах. В подвале энтузиаст наблюдает водовороты в жидкой облицовке огромной вращающейся чаши, но пока арифметика показывает лучший путь. В другом здании расположены все обычные финансовые, корреспондентские и административные офисы. Снаружи находятся игровые поля, дома, горы и озера, поскольку считалось, что те, кто рассчитывает погоду, должны дышать ею свободно» (Ричардсон, 1922).

Когда в 1950 году Ричардсон получил известие о первом прогнозе погоды, сделанном первым современным компьютером ENIAC , он ответил, что полученные результаты представляют собой «огромный научный прогресс». На выполнение первых расчетов 24-часового прогноза ENIAC потребовалось почти 24 часа.

Он также интересовался атмосферной турбулентностью и провел множество наземных экспериментов. В его честь названо число Ричардсона — безразмерный параметр теории турбулентности. Он классно резюмировал турбулентность в рифмующихся стихах в книге «Предсказание погоды с помощью численного процесса» (стр. 66):

У больших вихрей есть маленькие вихри, питающиеся их скоростью.

маленькие вихри имеют меньшие вихри и так далее, вплоть до вязкости.

[Игра на две строки Огастеса Де Моргана стихотворения Siphonaptera : «У больших блох на спине маленькие блохи, которые их кусают, / А у маленьких блох есть блохи поменьше, и так до бесконечности ». ( «Бюджет парадоксов» , 1915). Сами строки Де Моргана перефразируют две строки сатирической поэмы Джонатана Свифта «О поэзии: рапсодия» 1733 года.]

Попытка Ричардсона численного прогноза

Одним из самых знаменитых достижений Ричардсона является его ретроактивная попытка предсказать погоду на один день — 20 мая 1910 года — путем прямых вычислений. В то время метеорологи составляли прогнозы, главным образом, ища схожие погодные условия по записям, а затем экстраполируя их вперед. Ричардсон попытался использовать математическую модель основных характеристик атмосферы и использовать данные, полученные в определенное время (7 часов утра), для расчета погоды на шесть часов позже ab initio . метеоролог Питер Линч , Как поясняет Прогноз Ричардсона резко не оправдался: он предсказал огромное повышение давления на 145 гектопаскалей (4,3 дюйма рт. ст.) за шесть часов, когда давление на самом деле было более или менее статическим. Однако детальный анализ, проведенный Линчем, показал, что причиной стала неспособность применить к данным методы сглаживания, которые исключают нефизические скачки давления. Когда они применяются, прогноз Ричардсона оказывается по существу точным — замечательное достижение, учитывая, что расчеты были сделаны вручную, и в то время Ричардсон служил в квакерском отделении скорой помощи на севере Франции.

Математический анализ войны

Ричардсон также применил свои математические способности на службе своих пацифистских принципов, в частности, для понимания основ международного конфликта. По этой причине его теперь считают инициатором или со-инициатором (вместе с Куинси Райтом и Питиримом Сорокиным , а также другими, такими как Кеннет Боулдинг , Анатол Рапапорт и Адам Керл ) научного анализа конфликта — междисциплинарной темы количественного анализа. и математическая социальная наука, посвященная систематическому исследованию причин войны и условий мира. Как и в случае с погодой, он анализировал войну, используя в основном дифференциальные уравнения и теорию вероятностей. Рассматривая вооружение двух стран, Ричардсон сформулировал идеализированную систему уравнений, согласно которой скорость наращивания вооружений страны прямо пропорциональна количеству вооружений, которыми обладает ее соперник, а также недовольству, испытываемому по отношению к сопернику, и отрицательно пропорциональна количество оружия, которое оно уже имеет. Решение этой системы уравнений позволяет сделать глубокие выводы относительно природы, а также стабильности или нестабильности различных гипотетических условий, которые могут возникнуть между странами.

Он также выдвинул теорию о том, что склонность к войне между двумя странами зависит от длины их общей границы. А в книгах «Оружие и незащищенность» (1949) и «Статистика смертельных ссор» (1960) он стремился статистически проанализировать причины войны. Факторы, которые он оценивал, включали экономику, язык и религию. В предисловии к последнему он писал: «В мире существует множество блестящих, остроумных политических дискуссий, которые не приводят к устоявшимся убеждениям. Моя цель была иной: а именно изучить несколько понятий с помощью количественных методов в надежде, что достижения надежного ответа».

В «Статистике смертельных ссор» Ричардсон представил данные практически по каждой войне с 1815 по 1950 год, которые он классифицировал, используя десятичную логарифмическую шкалу, основанную на количестве погибших в боях, вызванных конфликтом. Таким образом, он был первым, кто заметил, что масштабы войн, по-видимому, подчиняются сильно смещенному вправо распределению Парето , в котором, хотя небольшие конфликты относительно распространены, самые крупные конфликты на несколько порядков превышают «типичный» конфликт. . Хотя размеры конфликтов можно предсказать заранее, Ричардсон показал, что количество международных войн в год подчиняется распределению Пуассона . В меньшем масштабе он продемонстрировал аналогичную закономерность для групповых убийств в Чикаго и Шанхае и предположил, что частота и размер всех «смертельных ссор» связаны универсальным правилом.

В начале 21 века работа Ричардсона по конфликтам возродилась среди ученых-конфликтологов, поскольку было обнаружено, что его степенная модель распределения проявляется в статистике нескольких других видов конфликтов, включая терроризм и жестокие толпы. споры о долговечности « долгого мира » ведутся с 1946 года. Современные статистики показали, что, хотя анализ Ричардсона не был строгим по современным стандартам, его статистические выводы в основном верны: размеры и частота вооруженных конфликтов вероятно, подчиняются степенному закону, и что скорость начала новых войн хорошо моделируется распределением Пуассона.

Исследования длины береговых линий и границ

Основная статья: Парадокс береговой линии

Ричардсон решил найти связь между вероятностью начала войны двух стран и длиной их общей границы. Однако при сборе данных он обнаружил, что существуют значительные различия в опубликованных длинах международных границ. Например, расстояние между Испанией и Португалией по разным оценкам составляло 987 или 1214 км, а расстояние между Нидерландами и Бельгией - 380 или 449 км.

Причиной этих несоответствий является « парадокс береговой линии ». Предположим, что побережье Британии измеряется с помощью 200-километровой линейки, при этом указывается, что оба конца линейки должны касаться побережья. Теперь разрежьте линейку пополам и повторите измерение, затем повторите:

Чем меньше линейка, тем длиннее получится береговая линия. Можно предположить, что эти значения сходятся к конечному числу, представляющему истинную длину береговой линии. Однако Ричардсон продемонстрировал, что это не так: измеренная длина береговых линий и других природных объектов неограниченно увеличивается по мере уменьшения единицы измерения. Сегодня это известно как эффект Ричардсона .

В то время исследования Ричардсона были проигнорированы научным сообществом. Сегодня это считается элементом начала современного изучения фракталов . Исследование Ричардсона процитировал математик Бенуа Мандельброт в своей статье 1967 года « Какова длина побережья Британии?» Ричардсон определил значение (между 1 и 2), которое будет описывать изменения (с увеличением детализации измерений) наблюдаемой сложности для конкретной береговой линии; это значение послужило моделью для концепции фрактальной размерности .

Патенты на обнаружение айсбергов

В апреле 1912 года, вскоре после гибели корабля «Титаник» , Ричардсон зарегистрировал патент на обнаружение айсбергов с помощью акустической эхолокации в воздухе. Месяц спустя он зарегистрировал аналогичный патент на акустическую эхолокацию в воде, предвосхитив изобретение гидролокатора Полем Ланжевеном и Робертом Бойлем 6 лет спустя.

В популярной культуре

Вымышленная версия Ричардсона по имени Уоллес Райман играет ключевую роль в Джайлза Фодена « романе Турбулентность» .

Ричардсон упоминается в Джона Бруннера работе « Стоять на Занзибаре» , где «Статистика смертельных ссор» используется в качестве аргумента в пользу неизбежности войн.

Работа Ричардсона также упоминается в Пола Андерсона « фантастическом романе Короли, которые умирают» .

Ричардсон упоминается в романе Чарли Кауфмана 2020 года «Анткинд» .

Знаменитая цитата Ричардсона: «У больших вихрей есть маленькие вихри, которые питаются их скоростью; у маленьких вихрей есть меньшие вихри и так далее, вплоть до вязкости» упоминается в песне «Dots & Lines», написанной и исполненной автором текстов и рэпером Лупе Фиаско .

Личная жизнь

В 1909 году он женился на Дороти Гарнетт (1885–1956), дочери математика и физика Уильяма Гарнетта . Они не могли иметь детей из-за несовместимости групп крови. , но в период с 1920 по 1927 год они усыновили двух сыновей и дочь.

Племянник Ричардсона Ральф Ричардсон стал известным актером. Его внучатый племянник (через старшего брата его жены Дороти, (Джеймса Клерка) Максвелла Гарнетта , CBE), Джулиан Хант , стал метеорологом, генеральным директором и исполнительным директором Британского метеорологического управления с 1992 по 1997 год. Внучатая племянница того же происхождения — бывший политик Вирджиния Боттомли , ныне баронесса Боттомли.

Наследие

С 1997 года Медаль Льюиса Фрая Ричардсона вручается Европейским союзом геонаук за «исключительный вклад в нелинейную геофизику в целом» (от EGS до 2003 года). и EGU с 2004 г.).

Победителями стали:

• 2023: Анджело Вульпиани
• 2022: Ульрике Фейдель
• 2021: Беранжер Дюбрюлль
• 2020: Валерио Лукарини
• 2019: Шон Лавджой
• 2018: Тимоти Н. Палмер
• 2017: Эдвард Отт
• 2016: Питер Л. Рид
• 2015: Дэниел Шерцер
• 2014: Оливье Талагранд
• 2013: Юрген Куртс
• 2012: Гарри Суинни
• 2011: Кэтрин Николис
• 2010: Клаус Фредрих
• 2009: Стефан Фов
• 2008: Akiva Yaglom
• 2007: Ульрих Шуман
• 2006: Роберто Бензи
• 2005: Хенк А. Дейкстра
• 2004: Майкл Гил
• 2003: Уриэль Фриш
• 2002: Фридрих Герман Буссе
• 2001: Джулиан Хант
• 2000: Бенуа Мандельброт
• 1999: Рэймонд Хайд
• 1998: Владимир Кейлис-Борок

существует центр исследований мира С 1959 года в Ланкастерском университете под названием Институт Ричардсона, который проводит междисциплинарные исследования мира и конфликтов в духе Льюиса Фрая Ричардсона.

См. также

• Аномальная диффузия
• Гонка вооружений
• Парадокс береговой линии
• Энергетический каскад
• Военные циклы
• Магнитная спиральность
• Экстраполяция Ричардсона
• Число Ричардсона
• Модифицированная итерация Ричардсона
• Уравнение Ричардса
• Многомасштабная турбулентность
• Такэбе Кенко
• Фредерик В. Ланчестер
• Список борцов за мир

Ссылки

• Уилкинсон, Дэвид. Смертельные ссоры: Льюис Ф. Ричардсон и статистическое исследование войны (издательство Калифорнийского университета, 2018) .
• Эшфорд, Оливер М. (1985). Пророк или профессор?: Жизнь и деятельность Льюиса Фрая Ричардсона . Бристоль: Адам Хильгер. ISBN  978-0-85274-774-2 . 320 стр.
• Эшфорд, Оливер М. (2004). «Ричардсон, Льюис Фрай (1881–1953)» . Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/ref:odnb/35739 . Проверено 19 января 2008 г. (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании .)
• П.А. Дэвидсон, Ю. Канеда, К. Моффат и К.Р. Шринивасан (редакторы, 2011 г.). Путешествие сквозь турбулентность , глава 5, стр. 187–208, Cambridge University Press. ISBN   978-0-521-19868-4
• Хант, JCR (1998). «Льюис Фрай Ричардсон и его вклад в математику, метеорологию и модели конфликтов» (PDF) . Ежегодный обзор механики жидкости . 30 (1): xiii – xxxvi. Бибкод : 1998AnRFM..30D..13H . дои : 10.1146/annurev.fluid.30.1.0 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 февраля 2008 года . Проверено 19 января 2008 г.
• Кернер, Т.В. (1996). Удовольствие от счета . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-56823-4 . 544pp «Квакер-математик» (гл. 8) и «Ричардсон о войне» (гл. 9)
• Линч, Питер (июнь 2004 г.). «Прогноз Ричардсона: что пошло не так?» (PDF) . Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА) . Проверено 19 апреля 2007 г.
• Линч, Питер (2006). Появление численного прогноза погоды: мечта Ричардсона . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-85729-1 . 290 стр.
• Ричардсон, LF (1939). «Общая внешняя политика». Британский журнал психологии , приложение к монографии № 23.
• Ричардсон, LF (1960). Статистика смертельных ссор . Пасифик Гроув, Калифорния: Boxwood Press.
• Ричардсон, LF (1993). Эшфорд, Оливер М; Чарнок Х; Дразин, П.Г. Хант, JCR; Смокер, П; Сазерленд, Ян (ред.). Сборник статей Льюиса Фрая Ричардсона, Том 1: Метеорология и численный анализ . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-38297-7 . 1030 стр.; Том 2: Количественная психология и исследования конфликтов. ISBN   978-0-521-38298-4 , 778 стр.
• Ричардсон, LF (1910). «Приближенное арифметическое решение с помощью конечных разностей физических задач, включающих дифференциальные уравнения, с применением к напряжениям в каменной плотине». Философские труды Королевского общества А. 210 (459–470): 307–357. Бибкод : 1911RSPTA.210..307R . дои : 10.1098/rsta.1911.0009 . S2CID   119559073 .
• Фоден, Джайлз (2009). Турбулентность . Лондон: Фабер и Фабер. ISBN  978-0-571-20522-6 . 353 стр.
• Анджелетти Фердинандо (2021) Математический историзм и научный пацифизм: два примера исторического детерминизма середины 20-го века в европейских иконографиях Уолтера Монтанари и Ширин Закери (ред.), Roma, Nuova Cultura ISBN 978-8-833-65368-6 ;

Внешние ссылки

• Работы Льюиса Фрая Ричардсона или о нем в Интернет-архиве
• https://www.egu.eu/awards-medals/lewis-fry-richardson/