Дуглас Хартри

Дуглас Хартри ФРС
Рожденный	Дуглас Рейнер Хартри ( 1897-03-27 ) 27 марта 1897 г. Кембридж , Англия, Великобритания
Умер	12 февраля 1958 г. (1958-02-12) (60 лет) Кембридж, Англия, Великобритания
Альма-матер	Колледж Святого Иоанна, Кембридж
Известный	MCHF Уравнение Эпплтона – Хартри Дифференциальный анализатор Хартри (единица энергии) Уравнение Хартри Метод Хартри – Фока
Награды	Член Королевского общества
Научная карьера
Поля	численный анализ атомная физика
Учреждения	Манчестерский университет Министерство снабжения Кембриджский университет
Докторантура	Ральф Х. Фаулер
Докторанты	Оскар Бунеман Шарлотта Фишер Аарон Смарт Филлис Николсон Сисили Ридли

Дуглас Рейнер Хартри FRS (27 марта 1897 - 12 февраля 1958) был английским математиком и физиком, наиболее известным благодаря развитию численного анализа и его применению к уравнениям Хартри-Фока атомной физики и построению дифференциального анализатора с использованием Meccano .

Ранняя жизнь и образование

Дуглас Хартри родился в Кембридже , Англия. Его отец Уильям преподавал инженерное дело в Кембриджском университете , а мать Ева Рейнер была президентом Национального совета женщин Великобритании и первой женщиной, ставшей мэром города Кембриджа. Одним из его прадедов был Сэмюэл Смайлс ; другим был морской инженер Уильям Хартри, партнер Джона Пенна . Дуглас Хартри был старшим из трех сыновей, переживших младенчество. Брат и сестра умерли в младенчестве, когда он был еще ребенком, но позже умерли и два его брата. 7-летний брат Хартри Джон Эдвин умер, когда Хартри было 17 лет, а 22-летний брат Хартри Колин Уильям умер от менингита в феврале 1920 года, когда Хартри было 23 года. Его двоюродной сестрой по материнской линии была геолог Дороти Хелен Рейнер .

Хартри учился в школе Св. Фейт в Кембридже, затем в школе Бедейлс , а затем вернулся в Кембридж для учебы в колледже Св. Иоанна в Кембридже , который Первая мировая война прервала . Он (а также его отец и брат) присоединился к группе, работавшей над зенитной баллистикой под руководством А.В. Хилла , где он приобрел значительные навыки и постоянный интерес к практическим расчетам и численным методам дифференциальных уравнений, выполняя большую часть своей работы карандашом и бумагой. . По словам Хилла, написавшего в некрологе Хартри: «Однажды он тихо смастерил высотомер с длинной базой из нескольких проводов, столбов и стальной ленты». Он стал известен как высотомер Хартри и широко использовался британскими зенитными войсками, пока не были представлены более совершенные оптические высотомеры. Утверждалось, что его преимуществом является то, что высоту можно вычислить на основе наблюдаемых величин «очень быстро, используя только простую арифметику». Кроме того, он был дешев в производстве и прост в использовании.

После окончания Первой мировой войны Хартри вернулся в Кембридж, получив диплом второго класса в области естественных наук.

Расчеты атомной структуры

В 1921 году визит Нильса Бора в Кембридж вдохновил Хартри применить свои численные навыки к Бора теории атома , за что он получил докторскую степень в 1926 году — его руководителем был Эрнест Резерфорд . После публикации уравнения Шредингера в том же году Хартри смог применить свои знания.дифференциальных уравнений и численного анализа к новой квантовой теории .Он вывел уравнения Хартри распределения электронов в атоме и предложил для их решения метод самосогласованного поля. Волновые функции этой теории не удовлетворяют принципу исключения Паули , для которого Слейтер показал, что требуются детерминантные функции. В. Фок опубликовал «уравнения с обменом», ныне известные как уравнения Хартри–Фока . Они значительно более требовательны в вычислительном отношении даже с учетом эффективных методов, предложенных Хартри для расчета обменных вкладов. Сегодня уравнения Хартри-Фока имеют большое значение в области вычислительной химии. , и применяются и решаются численно в большинстве программ теории функционала плотности , используемых для расчетов электронной структуры молекул и систем конденсированной фазы.

Манчестерские годы

Дифференциальный анализатор, разработанный Дугласом Хартри, в Музее науки и промышленности в Манчестере.

В 1929 году Хартри был назначен на кафедру прикладной математики Бейера в Манчестерском университете . В 1933 году он посетил Ванневара Буша в Массачусетском технологическом институте и из первых рук узнал о его дифференциальном анализаторе . Сразу по возвращении в Манчестер он приступил к созданию собственного анализатора из Meccano . Видя потенциал дальнейшего использования своих численных методов с использованием машины, он убедил сэра Роберта Макдугалла профинансировать более надежную машину, которая была построена в сотрудничестве с Metropolitan-Vickers .

Первым применением машины, отражающим энтузиазм Хартри по поводу железных дорог, было составление расписаний Лондонской , Мидлендской и Шотландской железных дорог . Оставшуюся часть десятилетия он провел, применяя дифференциальный анализатор для поиска решений дифференциальных уравнений, возникающих в физике, включая теорию управления и теорию ламинарного пограничного слоя в гидродинамике, внося значительный вклад в каждую из областей.

Дифференциальный анализатор не подходил для решения уравнений с обменом. Когда публикация Фока опередила работу Хартри по уравнениям обмена, Хартри направил свои исследования на распространение радиоволн, что привело к уравнению Эпплтона-Хартри . В 1935 году его отец Уильям Хартри предложил провести за него расчеты. Вскоре последовали результаты обмена. Дуглас признал важность взаимодействия конфигураций , которое он назвал «суперпозицией конфигураций».Первые результаты мультиконфигурации Хартри-Фока были опубликованы отцом, сыном и Бертой Свирлз (позже леди Джеффрис) в 1939 году.

По предложению Хартри Берта Свирлс приступила к выводу уравнений с обменом атомов, используя уравнение Дирака в 1935 году. По совету Хартри о первых релятивистских расчетах (без обмена) сообщил в 1940 году А. О. Уильямс, ученик Р. Б. Линдсея .

Вторая мировая война

Во время Второй мировой войны Хартри руководил двумя вычислительными группами. Первую группу для Министерства снабжения описал Джек Хоулетт. как «мастерская» по решению дифференциальных уравнений. В начале Второй мировой войны дифференциальный анализатор в университетеМанчестера был единственным полноразмерным (восьмёрочным интегратором)дифференциальный анализатор в стране. Были приняты меры, чтобы машина была в наличии.за работу в поддержку национальных военных усилий. Со временем группа состояла из четырёх человек. (Джек Хоулетт, Николас Р. Эйрес, Дж. Г. Л. Мишель, Дуглас Хартри и Филлис Локетт Николсон). Задачи были представлены группе без информации об источнике, но включали автоматическое отслеживание целей, распространение радиоволн, подводные взрывы, тепловой поток в стали и уравнение диффузии, которое, как позже выяснилось, предназначено для разделения изотопов. Вторая группа представляла собой группу магнетронных исследований. Филлис Локетт Николсон , Дэвид Копели и Оскар Бунеман .Работа выполнялась для Комитета по координации разработки клапанов, помогающего в разработке радара. Дифференциальный анализатор можно было бы использовать, если бы было доступно больше интеграторов, поэтому Хартри сформировал свою группу из трех «ЦП» для параллельной работы над механическими настольными калькуляторами. В качестве метода решения он выбрал то, что сейчас является классическим моделированием частиц. Хартри никогда не публиковал результаты своих исследований магнетрона в журналах, хотя во время войны он написал множество высокотехнологичных секретных отчетов.

В апреле 1944 года комитет, в который входил Хартри, рекомендовал создать в Национальной физической лаборатории (НФЛ) математический отдел. В октябре эта рекомендация была введена в действие, и ее первые две цели заключались в исследовании возможной адаптации автоматического телефонного оборудования к научному оборудованию и разработке электронных вычислительных устройств, пригодных для быстрых вычислений. Можно предположить, что некоторые члены уже знали о компьютере «Колосс» . Джон Р. Уомерсли ( черный персонаж Тьюринга ) был первым режиссером. В феврале 1945 года он отправился в двухмесячное турне по вычислительным установкам в США, включая посещение ENIAC (еще не завершенное). Он ознакомился с черновиками отчета фон Неймана знаменитого EDVAC за июнь 1945 года . Примерно через два месяца Хартри также посетил ЭНИАК, который тогда еще не был широко известен.

Дальнейшая жизнь и работа

В феврале 1946 года Макс Ньюман (который участвовал в создании компьютера «Колосс» заявку ) подал в Королевское общество на получение средств для начала выполнения задачи по созданию компьютера общего назначения в Манчестерском университете . Королевское общество передало запрос Хартри и К.Г. Дарвину , директору НПЛ, с просьбой проконсультировать их. Хартри рекомендовал предоставить грант, но Дарвин выступил против него на том основании, что ACE Тьюринга в NPL будет достаточно для удовлетворения потребностей страны. Но точка зрения Хартри победила, и разработки в области вычислений в Манчестере начались .

Хартри продолжил работу в области систем управления и участвовал в раннем применении цифровых компьютеров , консультируя вооруженные силы США по использованию ENIAC для расчета баллистических таблиц. Летом 1946 года Хартри совершил свою вторую поездку к ENIAC для оценки его применимости в широком спектре науки, став первым гражданским лицом, запрограммировавшим его. Для этого он выбрал задачу, связанную с течением сжимаемой жидкости по поверхности, например, воздуха по поверхности крыла, движущегося со скоростью, превышающей скорость звука.

В конце 1945 года или в самом начале 1946 года Хартри проинформировал Мориса Уилкса из Кембриджского университета о сравнительном развитии вычислительной техники в США, которое он видел. Уилкс затем получил приглашение от Школы электротехники Мура (создателей ENIAC) пройти курс по электронным компьютерам. Прежде чем уйти, Хартри смог более подробно проинформировать его об ENIAC. Именно на борту корабля Уилкс спланировал первоначальную конструкцию EDSAC , которая должна была быть введена в эксплуатацию в мае 1949 года. Хартри тесно сотрудничал с Уилксом в разработке возможностей использования машины для решения широкого круга задач и, что наиболее важно, показал пользователям возможности количество направлений в университете, как они могли бы использовать его в своей исследовательской работе.

Хартри вернулся в Кембридж, чтобы занять должность профессора математической физики Пламмера в 1946 году. В октябре он прочитал вступительную лекцию под названием «Вычислительные машины: последние и перспективные разработки и их влияние на математическую физику». Здесь описывался ЭНИАК и работа, которую проделал над ним Хартри. Даже в 1946 году, за два года до того, как электронные вычисления с хранимым программированием стали реальностью, Хартри увидел необходимость использования подпрограмм. Его первая лекция завершилась рассмотрением того, на что способны компьютеры. Он сказал: «...я понимаю, что существует множество проблем экономического, медицинского и социологического интереса и важности, ожидающих изучения, которые в настоящее время не могут быть предприняты из-за огромной вычислительной нагрузки».

7 ноября 1946 года газета Daily Telegraph , взяв интервью у Хартри, процитировала его слова: «Последствия машины настолько обширны, что мы не можем себе представить, как они повлияют на нашу цивилизацию. Вот что-то, что делает одну область человеческой деятельности 1000 раз быстрее. В сфере транспорта эквивалентом ACE была бы возможность проехать из Лондона в Кембридж… за пять секунд, как обычно. Это почти невообразимо».

Четвертый и последний крупный вклад Хартри в британскую информатику начался в начале 1947 года, когда лондонская кейтеринговая фирма J. Lyons & Co. услышала о ENIAC и летом того же года послала небольшую команду для изучения того, что происходило в США. потому что они чувствовали, что эти новые компьютеры могут помочь в огромном объеме административной и бухгалтерской работы, которую приходилось выполнять фирме. Команда встретилась с полковником Германом Голдстайном в Институте перспективных исследований в Принстоне, который написал Хартри, рассказав ему о своих поисках. Как только он получил это письмо, Хартри написал ему и пригласил представителей Лайона приехать в Кембридж для встречи с ним и Уилксом. Это привело к разработке коммерческой версии EDSAC, разработанной Lyons, под названием LEO , первого компьютера, используемого для коммерческих бизнес-приложений. После смерти Хартри штаб-квартира LEO Computers была переименована в Hartree House. Это иллюстрирует, насколько, по мнению Лайонса, Хартри внес вклад в их новое предприятие.

Последним известным вкладом Хартри в компьютерную науку была оценка в 1950 году потенциального спроса на компьютеры, который оказался намного ниже, чем оказалось на самом деле: «У нас есть компьютер здесь, в Кембридже, один в Манчестере и один в [НПЛ]. Полагаю, такой должен быть и в Шотландии, но это все». Такая недооценка количества необходимых компьютеров была обычным явлением в то время.

Хартри Последняя аспирантка в Кембридже, Шарлотта Фрёзе Фишер , стала известна разработкой и внедрением многоконфигурационного подхода Хартри-Фока ( MCHF ) к расчетам атомной структуры , а также своим теоретическим предсказанием относительно существования отрицательного иона кальция .

Личная жизнь

Вне своей профессиональной жизни Дуглас Хартри увлекался музыкой, обладая обширными знаниями в области оркестровой и камерной музыки. Он играл на фортепиано и был дирижером любительского оркестра. Эта страсть к музыке, возможно, и свела его со своей женой Элейн Чарльтон, опытной пианисткой. В результате их брака родились двое сыновей, Оливер и Джон Ричард, и одна дочь Маргарет. Он умер от сердечной недостаточности в больнице Адденбрука в Кембридже 12 февраля 1958 года.

Почести и награды

• Член Королевского общества (1932).
• единица энергии Хартри . В его честь названа
• Центр Хартри назван в его честь.

Книги

• Хартри, ДР (1949). Счетные приборы и машины . Урбана: Издательство Университета Иллинойса . (также (1950) Издательство Кембриджского университета )
• Хартри, ДР (1952). Численный анализ . Издательство Оксфордского университета .
• Хартри, ДР (1957). Расчет атомных структур . Нью-Йорк: Wiley & Sons .
• Хартри, доктор медицинских наук (1984). Вычислительные машины: последние и перспективные разработки и их влияние на математическую физику, вычислительные приборы и машины . Серия переизданий Института Чарльза Бэббиджа по истории вычислений. Том. 6. Кембридж, США: MIT Press .

Дальнейшее чтение

• Фрёзе Фишер, Шарлотта (2003). Дуглас Рейнер Хартри: Его жизнь в науке и вычислительной технике . Сингапур: World Scientific.
• Манчестерский дифференциальный анализатор