Дуглас Рейнер Хартри (27 марта 1897 г. – 12 февраля 1958 г.) был английским математиком и физиком , наиболее известным благодаря разработке численного анализа и его применению к уравнениям Хартри–Фока в атомной физике , а также созданию дифференциального анализатора с использованием конструктора Meccano . [2] [3]
Дуглас Хартри родился в Кембридже , Англия. Его отец, Уильям, был преподавателем инженерии в Кембриджском университете , а его мать, Ева Рейнер , была президентом Национального совета женщин Великобритании и первой женщиной, ставшей мэром города Кембридж. Одним из его прадедов был Сэмюэл Смайлс ; [1] другим был морской инженер Уильям Хартри, партнер Джона Пенна . [4] Дуглас Хартри был старшим из трех сыновей, переживших младенчество. Брат и сестра умерли в младенчестве, когда он был еще ребенком, но его два брата позже также умерли. Семилетний брат Хартри Джон Эдвин умер, когда Хартри было 17, а 22-летний брат Хартри Колин Уильям умер от менингита в феврале 1920 года, когда Хартри было 23. [5] Его двоюродной сестрой по материнской линии была геолог Дороти Хелен Рейнер . [6]
Хартри учился в школе St Faith's School в Кембридже, затем в Bedales School , вернувшись в Кембридж для получения степени в колледже St John's College в Кембридже , обучение в котором прервала Первая мировая война . Он (а также его отец и брат) присоединился к группе, работавшей над баллистикой ПВО под руководством А. В. Хилла , где он приобрел значительные навыки и неизменный интерес к практическим расчетам и численным методам для дифференциальных уравнений, выполняя большую часть своей собственной работы карандашом и бумагой. [7] По словам Хилла, написавшего в некрологе Хартри, «однажды он тихо смастерил длиннобазный высотомер из нескольких проводов, столбов и стальной ленты». Он стал известен как высотомер Хартри и широко использовался британскими войсками ПВО, пока не были введены более совершенные оптические высотомерные приборы. Его преимуществом было то, что высоту можно было вычислить из наблюдаемых величин «очень быстро, используя только простую арифметику». Он также был дешев в производстве и прост в использовании.
После окончания Первой мировой войны Хартри вернулся в Кембридж и в 1922 году окончил его, получив степень второго класса по естественным наукам.
В 1921 году визит Нильса Бора в Кембридж вдохновил Хартри применить свои численные навыки к теории атома Бора , за которую он получил докторскую степень в 1926 году — его руководителем был Эрнест Резерфорд . С публикацией уравнения Шредингера в том же году Хартри смог применить свои знания дифференциальных уравнений и численного анализа к новой квантовой теории . Он вывел уравнения Хартри для распределения электронов в атоме и предложил метод самосогласованного поля для их решения. Волновые функции из этой теории не удовлетворяли принципу исключения Паули , для которого, как показал Слейтер , требуются детерминантные функции. В. Фок опубликовал «уравнения с обменом», теперь известные как уравнения Хартри–Фока . Они значительно более требовательны в вычислительном отношении даже с эффективными методами, предложенными 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. [8] [9]
В 1929 году Хартри был назначен на кафедру прикладной математики имени Бейера в Манчестерском университете . В 1933 году он посетил Ванневара Буша в Массачусетском технологическом институте и узнал из первых рук о его дифференциальном анализаторе . Сразу по возвращении в Манчестер он приступил к созданию собственного анализатора из Meccano . Увидев потенциал для 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 отношению к железным дорогам, было вычисление расписаний для Лондонской, Мидлендской и Шотландской железных дорог . [10] 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, внеся значительный вклад в каждую из этих областей.
Дифференциальный анализатор не подходил для решения уравнений с обменом. Когда публикация Фока предвосхитила работу Хартри по уравнениям с обменом, Хартри обратил свои исследования к распространению радиоволн, что привело к уравнению Эпплтона–Хартри . В 1935 году его отец, Уильям Хартри, предложил провести для него вычисления. Вскоре последовали результаты с обменом. Дуглас осознал важность взаимодействия конфигураций , которое он назвал «суперпозицией конфигураций». Первые многоконфигурационные результаты Хартри–Фока были опубликованы отцом, сыном и Бертой Свирлз (позже леди Джеффрис) в 1939 году.
По предложению Хартри Берта Свирлз приступила к выводу уравнений с обменом для атомов, используя уравнение Дирака в 1935 году. По совету Хартри первые релятивистские вычисления (без обмена) были представлены в 1940 году А. О. Уильямсом, учеником Р. Б. Линдсея .
Во время Второй мировой войны Хартри руководил двумя вычислительными группами. Первая группа, для Министерства снабжения, была описана Джеком Хоулеттом [11] как «мастерская по решению дифференциальных уравнений». К началу Второй мировой войны дифференциальный анализатор в Университете Манчестера был единственным полноразмерным (восемь интеграторов) дифференциальным анализатором в стране. Были приняты меры, чтобы машина была доступна для работы в поддержку национальных военных усилий. Со временем группа состояла из четырех членов [12] (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 позже оказалось для разделения изотопов. Вторая группа была исследовательской группой магнетрона Филлис Локетт Николсон , Дэвида Коупеля и Оскара Бунемана . Работа была выполнена для Комитета по координации разработки клапанов, помогающего разработке радара. Дифференциальный анализатор мог бы быть использован, если бы было доступно больше интеграторов, поэтому Хартри организовал свою группу в виде трех «ЦП» для параллельной работы над механическими настольными калькуляторами. В качестве метода решения он выбрал то, что сейчас является классическим моделированием частиц. [13] Хартри никогда не публиковал ни одного из своих результатов исследований магнетрона в журналах, хотя он написал множество высокотехнических секретных отчетов во время войны.
В апреле 1944 года комитет, в который входил Хартри, рекомендовал создать математическую секцию в Национальной физической лаборатории (NPL). В октябре эта рекомендация была реализована, и ее первыми двумя целями стали исследование возможной адаптации автоматического телефонного оборудования к научному оборудованию и разработка электронных вычислительных устройств, пригодных для быстрых вычислений. Можно предположить, что некоторые члены уже знали о компьютере Colossus . Джон Р. Уомерсли ( bête noire Тьюринга ) был первым директором. В феврале 1945 года он отправился в двухмесячный тур по вычислительным установкам в США, включая посещение ENIAC (все еще не завершенного). Он ознакомился с черновиками знаменитого отчета фон Неймана EDVAC от июня 1945 года . Примерно через два месяца Хартри также отправился посмотреть на ENIAC, тогда еще не известный широкой публике.
В феврале 1946 года Макс Ньюман (который принимал участие в работе над компьютером Colossus ) подал заявку в Королевское общество на получение средств для начала работы по созданию универсального компьютера в Манчестерском университете . Королевское общество переслало запрос Хартри и Ч. Г. Дарвину , директору Национальной физической лаборатории, для консультирования. Хартри рекомендовал грант, но Дарвин выступил против него на том основании, что ACE Тьюринга в Национальной физической лаборатории будет достаточно для удовлетворения потребностей страны. Но точка зрения Хартри одержала верх, и разработки в области вычислений в Манчестере были начаты.
Хартри продолжил работу над системами управления и участвовал в раннем применении цифровых компьютеров , консультируя армию США по использованию ENIAC для расчета баллистических таблиц. Летом 1946 года Хартри совершил вторую поездку к ENIAC в качестве оценки его применимости к широкому спектру науки, когда он стал первым гражданским лицом, программировавшим его. Для этого он выбрал задачу, связанную с потоком сжимаемой жидкости над поверхностью, например, воздуха над поверхностью крыла, движущегося быстрее скорости звука. [14]
В конце 1945 или в самом начале 1946 года Хартри проинформировал Мориса Уилкса из Кембриджского университета о сравнительном развитии вычислительной техники в США, которое он видел. Затем Уилкс получил приглашение от Школы электротехники Мура (создателей ENIAC) посетить курс по электронным компьютерам. Перед отъездом Хартри смог более подробно проинформировать его об ENIAC. Именно на борту судна по пути домой Уилкс спланировал первоначальный проект EDSAC , который должен был быть введен в эксплуатацию в мае 1949 года. Хартри тесно сотрудничал с Уилксом в разработке использования машины для широкого круга задач и, что самое важное, показал пользователям из ряда областей в университете, как они могут использовать ее 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». В ней описывалась ENIAC и работа, проделанная Хартри над ней. Еще в 1946 году, за два года до того, как электронные вычисления с хранимым программированием стали реальностью, Хартри видел необходимость в использовании подпрограмм. Его вступительная лекция закончилась обзором того, что могут делать компьютеры. Он сказал: «...я понимаю, что существует много проблем экономического, медицинского и социологического интереса и важности, ожидающих изучения, которые в настоящее время не могут быть предприняты из-за огромной нагрузки, связанной с вычислениями».
7 ноября 1946 года Daily Telegraph , взявшая интервью у Хартри, процитировала его слова: «Последствия появления машины настолько огромны, что мы не можем себе представить, как они повлияют на нашу цивилизацию. Здесь есть нечто, что делает одну область человеческой деятельности в 1000 раз быстрее. В области транспорта эквивалентом ACE была бы возможность путешествовать из Лондона в Кембридж... за пять секунд как обычное дело. Это почти невообразимо». [15]
Четвертый и последний крупный вклад Хартри в британскую вычислительную технику начался в начале 1947 года, когда кейтеринговая фирма J. Lyons & Co. в Лондоне услышала об ENIAC и отправила небольшую группу летом того же года для изучения того, что происходило в США, поскольку они чувствовали, что эти новые компьютеры могут помочь в огромном объеме административной и бухгалтерской работы, которую приходилось выполнять фирме. Группа 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 и пригласил представителей Lyons приехать в Кембридж на встречу 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 степень, в которой Лайонс чувствовал, что Хартри внес вклад в их новое предприятие.
Последним известным вкладом Хартри в вычислительную технику 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 [NPL]. Я полагаю, что должен быть один в Шотландии, но это все». Такие недооценки количества требуемых компьютеров были обычным явлением в то время. [16]
Последняя аспирантка Хартри в Кембридже, Шарлотта Фрезе Фишер , стала известна благодаря разработке и внедрению многоконфигурационного подхода Хартри-Фока ( MCHF ) к расчетам атомной структуры, а также благодаря своему теоретическому предсказанию относительно существования отрицательного иона кальция.
За пределами своей профессиональной жизни Дуглас Хартри был увлечен музыкой, имея обширные познания в оркестровой и камерной музыке. Он играл на фортепиано и был дирижером любительского оркестра. Эта страсть к музыке, возможно, свела его с женой Элейн Чарльтон, которая была выдающейся пианисткой. В результате их брака родились двое сыновей, Оливер и Джон Ричард, и одна дочь, Маргарет. [17] Он умер от сердечной недостаточности в больнице Адденбрука , Кембридж, 12 февраля 1958 года. [18]
