Введение
Британский математик и физик.
Ранние годы и образование
Дуглас Хартри родился в Кембридже, Англия. Его отец, Уильям, преподавал инженерное дело в Кембриджском университете, а его мать, Ева Рейнер, была президентом Национального совета женщин Великобритании и первой женщиной, ставшей мэром города Кембриджа. Одним из его прадедов был Сэмюэл Смайлс, другим – морской инженер Уильям Хартри, партнер Джона Пенна. Дуглас Хартри был старшим из трех сыновей, доживших до взрослого возраста. Брат и сестра умерли в младенчестве, когда он был еще ребенком, но позже умерли и его два брата. Семнадцатилетний брат Хартри, Джон Эдвин, умер, когда Хартри было 17 лет, а двадцатидвухлетний брат, Колин Уильям, скончался 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 Святого Фэйтса в Кембридже, затем в школе Бедальса, после чего вернулся в Кембридж для получения степени в колледже Святого Джона, обучение в котором было прервано Первой мировой войной. Он (и его отец и брат) присоединился к группе, работавшей над противовоздушной баллистикой под руководством А. В. Хилла, где он приобрел значительные навыки и стойкий интерес к практическим расчетам и численным методам решения дифференциальных уравнений, выполняя большую часть работы карандашом и бумагой. По словам Хилла, в некрологе Хартри, «Однажды он тихо импровизировал высотомер с длинной базой из проводов, столбов и стальной ленты». Он стал известен как высотоискатель Хартри и широко использовался британскими войсками противовоздушной обороны до появления более совершенных оптических высотоискателей. Утверждалось, что его преимущество заключалось в том, 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 получил степень второго класса по естественным наукам.
Расчеты атомной структуры
В 1921 году визит Нильса Бора в Кембридж вдохновил Хартри применить свои численные навыки к теории атома Бора, за что он получил докторскую степень в 1926 году. Его научным руководителем был Эрнест Резерфорд. С публикацией уравнения Шредингера в том же году Хартри смог применить свои знания в области 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, полученные в рамках этой теории, не удовлетворяли принципу исключения Паули, для чего Слейтер показал, что необходимы детерминантные функции. В. Фок опубликовал "уравнения с обменом", которые теперь известны как уравнения Хартри — Фока. Они значительно более сложны в вычислительном отношении, даже с использованием эффективных методов, предложенных Хартри для расчета обменных членов. Сегодня уравнения Хартри — Фока имеют большое значение для вычислительной химии и применяются и решаются численно в большинстве программ теории функционала плотности, используемых для расчетов электронной структуры молекул и систем конденсированной фазы.
of differential equations and numerical analysis to the new quantum theory. He derived the Hartree equations for the distribution of electrons in an atom and proposed the self consistent field method for their solution. The wavefunctions from this theory did not satisfy the Pauli exclusion principle for which Slater showed that determinantal functions are required. V. Fock published the "equations with exchange" now known as Hartree–Fock equations. These are considerably more demanding computationally even with the efficient methods Hartree proposed for the calculation of exchange contributions. Today, the Hartree Fock equations are of great importance to the field of computational chemistry, and are applied and solved numerically within most of the density functional theory programs used for electronic structure calculations of molecules and condensed phase systems.
Манчестерские годы
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 лично ознакомился с его дифференциальным анализатором. Сразу же по возвращении в Манчестер он приступил к созданию собственного анализатора из деталей Мекано. Увидев потенциал для дальнейшего использования своих численных методов с помощью машины, он убедил сэра Роберта Макдугала профинансировать более надежную конструкцию, которая была построена в сотрудничестве с компанией Metropolitan Vickers. Первым применением машины, отражающим увлечение Хартри железными дорогами, стал расчет расписаний для Лондонской, Мидлендской и Шотландской железной дороги. Он провел остаток десятилетия, применяя дифференциальный анализатор для решения дифференциальных уравнений, возникающих в физике, включая теорию управления и теорию ламинарного пограничного слоя в гидродинамике, внося значительный вклад в каждую из этих областей. Дифференциальный анализатор не подходил для решения уравнений с обменом. Когда публикация Фока опередила работу Хартри над уравнениями с обменом, Хартри переключил свои исследования на распространение радиоволн, что привело к уравнению Апплетона — Хартри. В 1935 году его отец, Уильям Хартри, предложил ему выполнять вычисления. Результаты с учетом обмена вскоре последовали. Дуглас признал важность взаимодействия конфигураций, которое он назвал «суперпозицией конфигураций». Первые результаты многоконфигурационного метода Хартри — Фока были опубликованы отцом, сыном и Бертой Свирлс (впоследствии леди Джеффрис) в 1939 году. По предложению Хартри Берта Свирлс приступила к выводу уравнений с учетом обмена для атомов, используя уравнение Дирака в 1935 году. С советом Хартри первые релятивистские вычисления (без учета обмена) были представлены в 1940 году А. О. Уильямсом, учеником Р. Б. Линдсея.
Поздние годы жизни и творчество
В феврале 1946 года Макс Ньюман (участвовавший в разработке компьютера Colossus) подал заявку в Королевское общество на получение средств для начала работы по созданию компьютера общего назначения в Манчестерском университете. Королевское общество направило запрос Хартри и К. Г. Дарвину, директору NPL, для консультации. Хартри рекомендовал выделение гранта, но Дарвин возражал, считая, что ACE Тьюринга в NPL будет достаточным для удовлетворения потребностей страны. Однако мнение Хартри возобладало, и в Манчестере начались разработки в области вычислительной техники. Хартри продолжил работу в области систем управления и участвовал в раннем применении цифровых компьютеров, консультируя военных США по использованию ENIAC для расчета баллистических таблиц. Летом 1946 года Хартри совершил свою вторую поездку к ENIAC для оценки его применимости к широкому кругу научных задач, став первым гражданским лицом, запрограммировавшим его. Для этого он выбрал задачу, связанную с течением сжимаемой жидкости по поверхности, например, обтеканием крыла воздушным потоком, движущимся со сверхзвуковой скоростью. В конце 1945 или в начале 1946 года Хартри проинформировал Мориса Уилкса из Кембриджского университета о сравнительных разработках в области вычислительной техники в США, которые он видел. Уилкс получил приглашение от Школы электротехники Мура (создателей ENIAC) посетить курс по электронным компьютерам. Перед отъездом Хартри смог более подробно рассказать ему об ENIAC. Именно во время морского путешествия Уилкс разработал первоначальный проект EDSAC, который должен был быть введен в эксплуатацию в мае 1949 года. Хартри тесно сотрудничал с Уилксом в разработке использования машины для решения широкого круга задач и, что особенно важно, показал пользователям из различных областей университета, как применять ее в своих исследованиях. В 1946 году Хартри вернулся в Кембридж, чтобы занять должность профессора математической физики Пламмера. В октябре он прочитал вступительную лекцию под названием «Вычислительные машины: недавние и перспективные разработки и их влияние на математическую физику», в которой описал ENIAC и свою работу с ним. Даже в 1946 году, за два года до того, как электронные вычисления с хранимой программой стали реальностью, Хартри осознал необходимость использования подпрограмм. Его вступительная лекция завершилась размышлениями о потенциальных возможностях компьютеров. Он сказал: «Я понимаю, что существует множество экономических, медицинских и социологических проблем, представляющих интерес и важность, которые в настоящее время невозможно решить из-за огромного объема вычислений». 7 ноября 1946 года газета The Daily Telegraph, взяв интервью у Хартри, процитировала его слова: «Последствия появления машины настолько велики, что мы не можем представить, как они повлияют на нашу цивилизацию. Это нечто, что ускоряет одно направление человеческой деятельности в 1000 раз. В области транспорта эквивалентом ACE была бы возможность регулярно путешествовать из Лондона в Кембридж за пять секунд. Это почти невообразимо». Четвертый и последний значительный вклад Хартри в развитие британской вычислительной техники начался в начале 1947 года, когда компания J. Lyons & Co. в Лондоне, занимающаяся общественным питанием, узнала об ENIAC и отправила небольшую группу специалистов летом того же года для изучения происходящего в США, поскольку считала, что эти новые компьютеры могут оказать помощь в огромном объеме административной и бухгалтерской работы, которую должна была выполнять компания. Группа встретилась с полковником Германом Голдстином в Институте перспективных исследований в Принстоне, который написал Хартри, сообщив об их поисках. Получив это письмо, Хартри немедленно написал и пригласил представителей Lyons 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, что свидетельствует о том, насколько Lyons ценил вклад Хартри в их новое предприятие. Последним известным вкладом Хартри в вычислительную технику стала оценка в 1950 году потенциального спроса на компьютеры, которая оказалась значительно ниже фактического: «У нас есть компьютер здесь, в Кембридже, один в Манчестере и один в [NPL]. Думаю, одного в Шотландии было бы достаточно». Подобные заниженные оценки количества необходимых компьютеров были распространены в то время. Последний аспирант Хартри в Кембридже, Шарлотта Фрозе Фишер, стала известна разработкой и внедрением метода многоконфигурационного Хартри-Фока (MCHF) для расчетов атомной структуры, а также своим теоретическим предсказанием существования отрицательного иона кальция.
Личная жизнь
Вне профессиональной деятельности Дуглас Хартри страстно увлекался музыкой, обладая глубокими знаниями симфонической и камерной музыки. Он играл на фортепиано и был дирижером любительского оркестра. Вероятно, именно любовь к музыке свела его с женой, Элейн Чарльтон, талантливым пианистом. В браке у них родились два сына, Оливер и Джон Ричард, и дочь Маргарет. Он скончался от сердечной недостаточности в больнице Адденбрук в Кембридже 12 февраля 1958 года.