Льюис Фрай Ричардсон , FRS [1] (11 октября 1881 г. – 30 сентября 1953 г.) был английским математиком , физиком , метеорологом , психологом и пацифистом , который был пионером современных математических методов прогнозирования погоды и применения 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 . [2]
Льюис Фрай Ричардсон был младшим из семи детей, родившихся у Кэтрин Фрай (1838–1919) и Дэвида Ричардсона (1835–1913). Они были преуспевающей семьей квакеров , Дэвид Ричардсон управлял успешным бизнесом по дублению и производству кожи. [3]
В возрасте 12 лет его отправили в школу-интернат квакеров , Bootham School [4] [5] в Йорке , где он получил образование в области науки, что стимулировало активный интерес к естественной истории . В 1898 году он поступил в Durham College of Science (колледж Университета Дарема ), где он посещал курсы по математической физике , химии , ботанике и зоологии . В 1900 году он поступил в King's College в Кембридже , где его обучал физике в курсах естественных наук (среди прочих) Дж. Дж. Томсон , и окончил его с отличием в 1903 году. [6] В возрасте 47 лет он получил докторскую степень по математической психологии в Лондонском университете . [7]
Трудовая деятельность Ричардсона отражала его эклектичные интересы: [8]
В 1926 году он был избран в члены Королевского общества . [1] [9]
Квакерские убеждения Ричардсона влекли за собой ярый пацифизм , который освободил его от военной службы во время Первой мировой войны как отказника по убеждениям , хотя впоследствии это лишило его права занимать какую-либо академическую должность. Ричардсон работал с 1916 по 1919 год в подразделении скорой помощи Друзей, прикрепленном к 16-й французской пехотной дивизии. После войны он вернулся в Метеорологическое бюро, но был вынужден уйти в отставку по соображениям совести, когда оно было объединено с Министерством авиации в 1920 году. Впоследствии он продолжил карьеру на периферии академического мира, прежде чем уйти на пенсию в 1940 году, чтобы исследовать свои собственные идеи. Его пацифизм имел прямые последствия для его научных интересов. По словам Томаса Кёрнера , [10] открытие того, что его метеорологическая работа представляла ценность для разработчиков химического оружия, заставило его отказаться от всех своих усилий в этой области и уничтожить выводы, которые он еще не опубликовал.
Интерес Ричардсона к метеорологии привел его к предложению схемы прогнозирования погоды путем решения дифференциальных уравнений , метода, используемого в настоящее время, хотя, когда он опубликовал Weather Prediction by Numerical Process в 1922 году, подходящие быстрые вычисления были недоступны. Он описал свои идеи следующим образом:
«После стольких трудных рассуждений, можно ли поиграть с фантазией? Представьте себе большой зал, похожий на театр, за исключением того, что круги и галереи идут прямо по кругу через пространство, обычно занимаемое сценой. Стены этого зала расписаны так, чтобы образовать карту земного шара. Потолок представляет северные полярные регионы, Англия находится в галерее, тропики в верхнем круге, Австралия в бельэтаже и Антарктида в яме.
Мириады компьютеров [людей, которые вычисляют] работают над погодой той части карты, где каждый из них находится, но каждый компьютер занимается только одним уравнением или частью уравнения. Работа каждого региона координируется должностным лицом более высокого ранга. Многочисленные маленькие «ночные знаки» отображают мгновенные значения, чтобы соседние компьютеры могли их считывать. Таким образом, каждое число отображается в трех смежных зонах, чтобы поддерживать связь с Севером и Югом на карте.
От пола ямы до половины высоты зала поднимается высокая колонна. На ее вершине находится большая кафедра. На ней сидит человек, отвечающий за весь театр; его окружают несколько помощников и посланников. Одна из его обязанностей — поддерживать одинаковую скорость прогресса во всех частях земного шара. В этом отношении он подобен дирижеру оркестра, в котором инструментами являются логарифмические линейки и счетные машины. Но вместо того, чтобы размахивать палочкой, он направляет луч розового света на любой регион, который бежит впереди остальных, и луч синего света на тех, кто отстает.
Четыре старших клерка на центральной кафедре собирают будущую погоду так же быстро, как она вычисляется, и отправляют ее пневматическим транспортером в тихую комнату. Там она будет закодирована и передана по телефону на радиопередающую станцию. Посыльные несут стопки использованных расчетных форм вниз на склад в подвале.
В соседнем здании находится исследовательский отдел, где изобретают усовершенствования. Но прежде чем в сложную рутину вычислительного театра вносятся какие-либо изменения, проводится много экспериментов в малых масштабах. В подвале энтузиаст наблюдает за завихрениями в жидкой оболочке огромной вращающейся чаши, но пока арифметика оказывается лучшим способом. В другом здании находятся все обычные финансовые, корреспонденционные и административные офисы. Снаружи — игровые поля, дома, горы и озера, поскольку считалось, что те, кто вычисляет погоду, должны свободно ею дышать. (Ричардсон, 1922)
Когда в 1950 году Ричардсон получил известие о первом прогнозе погоды, сделанном первым современным компьютером ENIAC , он ответил, что результаты стали «огромным научным достижением». Первые расчеты для 24-часового прогноза заняли у ENIAC почти 24 часа. [11]
Он также интересовался атмосферной турбулентностью и провел множество наземных экспериментов. Число Ричардсона , безразмерный параметр теории турбулентности, названо в его честь. Он знаменито суммировал турбулентность в рифмованных стихах в Weather Prediction by Numerical Process (стр. 66): [12]
Большие вихри имеют маленькие вихри, которые питаются их скоростью,
- а маленькие вихри имеют меньшие вихри и так далее до вязкости.
[Игра на основе двух строк поэмы Августа Де Моргана Siphonaptera : «У больших блох на спинах есть маленькие блохи, чтобы кусать их, / 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.]
Одним из самых известных достижений Ричардсона является его попытка ретроспективного прогнозирования погоды на один день — 20 мая 1910 года — путем прямого вычисления. В то время метеорологи делали прогнозы, в основном, путем поиска похожих погодных условий в записях, а затем экстраполируя их вперед. Ричардсон попытался использовать математическую модель основных характеристик атмосферы и использовать данные, полученные в определенное время (7 утра), чтобы рассчитать погоду шесть часов спустя ab initio . Как ясно дает понять метеоролог Питер Линч , [13] прогноз Ричардсона резко провалился, предсказав огромный рост давления на 145 гектопаскалей (4,3 дюйма рт. ст.) за шесть часов, когда давление на самом деле было более или менее статичным. Однако подробный анализ Линча показал, что причиной была неспособность применить методы сглаживания к данным, которые исключают нефизические скачки давления. При применении этих данных прогноз Ричардсона оказался по сути точным — выдающееся достижение, если учесть, что расчеты выполнялись вручную, и что Ричардсон служил в квакерском подразделении скорой помощи на севере Франции.
Ричардсон также применял свои математические навыки на службе своих пацифистских принципов, в частности, для понимания основ международного конфликта. По этой причине он теперь считается инициатором или соинициатором (вместе с Куинси Райтом и Питиримом Сорокиным , а также другими, такими как Кеннет Боулдинг , Анатоль Рапапорт и Адам Керл ), научного анализа конфликта — междисциплинарной темы количественной и математической социальной науки, посвященной 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 выдвинул идеализированную систему уравнений, в которой скорость наращивания вооружения страны прямо пропорциональна количеству оружия, которым располагает ее соперник, а также обидам, испытываемым по отношению к сопернику, и отрицательно пропорциональна количеству оружия, которым она уже располагает сама. Решение этой системы уравнений позволяет сделать глубокие выводы относительно природы, а также стабильности или нестабильности различных гипотетических условий, которые могут существовать между странами.
Он также создал теорию о том, что склонность к войне между двумя странами является функцией длины их общей границы. А в работах «Оружие и небезопасность» (1949) и «Статистика смертельных ссор» (1960) он стремился статистически проанализировать причины войны. Факторы, которые он оценивал, включали экономику, язык и религию. В предисловии к последней он писал: «В мире есть много 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 на достижение надежного ответа».
В «Статистике смертельных ссор» Ричардсон представил данные практически по каждой войне с 1815 по 1950 год, которые он классифицировал с использованием логарифмической шкалы с основанием 10, основанной на количестве боевых смертей, вызванных конфликтом. Таким образом, он был первым, кто заметил, что размеры войн, по-видимому, следовали сильно скошенному вправо распределению Парето , в котором, хотя небольшие конфликты относительно обычны, самые крупные конфликты на порядки больше, чем «типичный» конфликт. Хотя размеры конфликтов можно предсказать заранее, Ричардсон показал, что количество международных войн в год следует распределению Пуассона . [14] В меньшем масштабе он показал похожую картину для убийств бандами в Чикаго и Шанхае и выдвинул гипотезу, что универсальное правило связывает частоту и размер всех «смертельных ссор».
В начале 21-го века работа Ричардсона о конфликтах пережила возрождение среди ученых-конфликтологов, поскольку было обнаружено, что его модель распределения степенного закона проявляется в статистике нескольких других видов конфликтов, включая терроризм и жестокие толпы, и его работа повлияла на дебаты о продолжительности « Долгого мира » с 1946 года. Современные статистики показали, что, хотя анализы Ричардсона не были строгими по современным стандартам, его статистические выводы в значительной степени подтверждаются: масштабы и частота вооруженных конфликтов правдоподобно следуют модели степенного закона, и что скорость начала новых войн хорошо моделируется распределением Пуассона. [15]
Ричардсон решил найти связь между вероятностью войны двух стран и длиной их общей границы. Однако, собирая данные, он обнаружил, что существуют значительные различия в различных опубликованных длинах международных границ. Например, между Испанией и Португалией по-разному указывалась длина 987 или 1214 км, а между Нидерландами и Бельгией — 380 или 449 км. [16]
Причиной этих несоответствий является « парадокс береговой линии ». Предположим, что побережье Британии измеряется с помощью линейки длиной 200 км, при этом оба конца линейки должны касаться побережья. Теперь разрежьте линейку пополам и повторите измерение, затем повторите:
Чем меньше линейка, тем длиннее получается береговая линия. Можно было бы предположить, что эти значения будут сходиться к конечному числу, представляющему истинную длину береговой линии. Однако Ричардсон продемонстрировал, что это не так: измеренная длина береговых линий и других природных объектов увеличивается без ограничений по мере уменьшения единицы измерения. [17] В настоящее время это известно как эффект Ричардсона . [18]
В то время исследования Ричардсона были проигнорированы научным сообществом. Сегодня они считаются элементом начала современного изучения фракталов . Исследования Ричардсона были процитированы математиком Бенуа Мандельбротом в его статье 1967 года « Какова длина побережья Британии? » Ричардсон определил значение (между 1 и 2), которое описывало бы изменения (с увеличением детализации измерений) в наблюдаемой сложности для конкретной береговой линии; это значение послужило моделью для концепции фрактальной размерности . [19]
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 сонара Полем Ланжевеном и Робертом Бойлем 6 лет спустя. [20]
Вымышленная версия Ричардсона, по имени Уоллес Райман, играет ключевую роль в романе Джайлза Фодена «Турбулентность» . [21]
Ричардсон упоминается в работе Джона Бруннера «Стоять на Занзибаре» , где «Статистика смертельных ссор» используется в качестве аргумента в пользу того, что войны неизбежны.
Творчество Ричардсона также упоминается в фантастическом романе Пола Андерсона «Короли, которые умирают» .
Ричардсон упоминается в романе Чарли Кауфмана «Анткинд» , опубликованном в 2020 году .
Знаменитая цитата Ричардсона: «У больших водоворотов есть маленькие водовороты, которые питаются их скоростью; у маленьких водоворотов есть меньшие водовороты и так далее до вязкости» упоминается в песне «Dots & Lines», написанной и исполненной поэтом-песенником и рэпером Лупе Фиаско .
В 1909 году он женился на Дороти Гарнетт (1885–1956), дочери математика и физика Уильяма Гарнетта . [22] Они не могли иметь детей из-за несовместимости групп крови [ необходимо разъяснение ] , но они усыновили двух сыновей и дочь между 1920 и 1927 годами. [23]
Племянник Ричардсона Ральф Ричардсон стал известным актером. Его внучатый племянник (по линии старшего брата его жены Дороти, (Джеймса Клерк) Максвелла Гарнетта , CBE), Джулиан Хант , стал метеорологом, генеральным директором и главным исполнительным директором Британского метеорологического бюро с 1992 по 1997 год. [24] Внучатая племянница — той же линии происхождения — бывший политик Вирджиния Боттомли , ныне баронесса Боттомли. [25] [26]
С 1997 года Европейский союз геонаук вручает медаль Льюиса Фрая Ричардсона за «исключительный вклад в нелинейную геофизику в целом» (до 2003 года — EGS [27] , а с 2004 года — EGU) [28] .
Победителями стали:
С 1959 года в Университете Ланкастера действует Центр исследований мира под названием Институт Ричардсона, который проводит междисциплинарные исследования мира и конфликтов в духе Льюиса Фрая Ричардсона. [30]
В предыдущем разделе интегралы брались вокруг простых геометрических фигур в качестве предварительного шага для взятия их вокруг границ, показанных на политических картах. Возникло смущающее сомнение относительно того, были ли фактические границы настолько запутанными, чтобы сделать недействительной эту в остальном многообещающую теорию. Было проведено специальное исследование, чтобы решить этот вопрос. Были замечены некоторые странные особенности; тем не менее, было обнаружено, что общая общая коррекция возможна. Результаты будут сейчас представлены. ... В качестве объяснения того, как случайность может возникнуть в мире, который он считал строго детерминированным, Эри Пуанкаре* (дата не указана) обратил внимание на незначительные причины, которые произвели весьма заметные эффекты. Морские побережья являются подходящей иллюстрацией.
{{cite journal}}: CS1 maint: location (link)