Douglas Hartree

Douglas Rayner Hartree FRS (27. März 1897 – 12. Februar 1958) war ein englischer Mathematiker und Physiker , der vor allem für die Entwicklung der numerischen Analysis und deren Anwendung auf die Hartree-Fock-Gleichungen der Atomphysik sowie für den Bau eines Differentialanalysators mit Meccano bekannt ist . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Douglas Hartree wurde in Cambridge , England, geboren . Sein Vater, William, war Dozent für Ingenieurwesen an der Universität Cambridge . Seine Mutter, Eva Rayner , war Präsidentin des Nationalen Frauenrats von Großbritannien und die erste Bürgermeisterin von Cambridge. Einer seiner Urgroßväter war Samuel Smiles ; ^{[ 1 ]} ein anderer war der Schiffsingenieur William Hartree, Partner von John Penn . ^{[ 4 ]} Douglas Hartree war der älteste von drei Söhnen, die das Säuglingsalter überlebten. Ein Bruder und eine Schwester starben im Säuglingsalter, als er noch ein Kind war, seine beiden Brüder starben später ebenfalls. Hartrees siebenjähriger Bruder John Edwin starb, als Hartree 17 Jahre alt war, und sein 22-jähriger Bruder Colin William starb im Februar 1920 an Meningitis, als Hartree 23 Jahre alt war. ^{[ 5 ]} Seine Cousine mütterlicherseits war die Geologin Dorothy Helen Rayner . ^{[ 6 ]}

Hartree besuchte die St. Faith’s School in Cambridge, anschließend die Bedales School und kehrte für sein Studium ans St. John’s College in Cambridge zurück , das jedoch durch den Ersten Weltkrieg unterbrochen wurde. Er (gemeinsam mit seinem Vater und Bruder) schloss sich einer Arbeitsgruppe unter der Leitung von A. V. Hill an, die sich mit Flugabwehrballistik befasste . Dort erwarb er beachtliche Kenntnisse und ein anhaltendes Interesse an praktischen Berechnungen und numerischen Methoden für Differentialgleichungen. Den Großteil seiner Arbeit erledigte er selbstständig mit Stift und Papier. ^{[ 7 ]} Laut Hill, der in Hartrees Nachruf schrieb, improvisierte dieser eines Tages still und leise einen Höhenmesser mit langer Basis aus Drähten, Pfosten und einem Stahlband. Dieser Höhenmesser wurde als Hartree-Höhenmesser bekannt und von den britischen Flugabwehrtruppen bis zur Einführung besserer optischer Höhenmesser weit verbreitet eingesetzt. Sein Vorteil lag darin, dass die Höhe aus den beobachteten Größen „sehr schnell und mit nichts anderem als einfacher Arithmetik“ berechnet werden konnte. Er war zudem kostengünstig herzustellen und einfach zu bedienen.

Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs kehrte Hartree nach Cambridge zurück und schloss sein Studium 1922 mit einem Abschluss zweiter Klasse in Naturwissenschaften ab.

1921 inspirierte ein Besuch Niels Bohrs in Cambridge Hartree dazu, seine numerischen Fähigkeiten auf Bohrs Atomtheorie anzuwenden , für die er 1926 promovierte – sein Doktorvater war Ernest Rutherford . Mit der Veröffentlichung der Schrödingergleichung im selben Jahr konnte Hartree sein Wissen über Differentialgleichungen und numerische Analysis auf die neue Quantentheorie anwenden . Er leitete die Hartree-Gleichungen für die Elektronenverteilung im Atom ab und schlug die Methode des selbstkonsistenten Feldes (SCF) zu deren Lösung vor. Die Wellenfunktionen dieser Theorie erfüllten nicht das Pauli-Prinzip , wofür Slater die Notwendigkeit von Determinantenfunktionen nachwies. V. Fock veröffentlichte die „Gleichungen mit Austausch“, die heute als Hartree-Fock-Gleichungen bekannt sind . Diese sind selbst mit den von Hartree vorgeschlagenen effizienten Methoden zur Berechnung der Austauschbeiträge deutlich rechenaufwändiger. Die Hartree-Fock-Gleichungen sind heute von großer Bedeutung für die Computerchemie und werden in den meisten Dichtefunktionaltheorie- Programmen, die für elektronische Strukturrechnungen von Molekülen und Systemen in kondensierter Phase verwendet werden, angewendet und numerisch gelöst. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Im Jahr 1929 wurde Hartree auf den Beyer-Lehrstuhl für Angewandte Mathematik an der Universität Manchester berufen und im selben Jahr zum Mitglied der Manchester Literary and Philosophical Society gewählt. ^{[ 10 ]}

1933 besuchte er Vannevar Bush am Massachusetts Institute of Technology und lernte dessen Differentialanalysator aus erster Hand kennen . Unmittelbar nach seiner Rückkehr nach Manchester machte er sich daran, einen eigenen Analysator aus Meccano-Bausätzen zu bauen . Da er das Potenzial erkannte, seine numerischen Methoden mithilfe der Maschine weiterzuentwickeln, überzeugte er Sir Robert McDougall, eine robustere Maschine zu finanzieren, die in Zusammenarbeit mit Metropolitan-Vickers gebaut wurde .

Die erste Anwendung der Maschine, die Hartrees Begeisterung für Eisenbahnen widerspiegelte, war die Berechnung von Fahrplänen für die London, Midland and Scottish Railway . ^{[ 11 ]} Den Rest des Jahrzehnts verbrachte er damit, den Differentialanalysator zur Lösung von Differentialgleichungen in der Physik anzuwenden, darunter in der Kontrolltheorie und der Theorie laminarer Grenzschichten in der Fluiddynamik, und leistete zu jedem dieser Gebiete bedeutende Beiträge.

Der Differentialanalysator war für die Lösung von Gleichungen mit Austausch ungeeignet. Als Focks Veröffentlichung Hartrees Arbeit an Gleichungen mit Austausch vorwegnahm, wandte sich Hartree der Radiowellenausbreitung zu, woraus die Appleton-Hartree-Gleichung entstand . 1935 bot sein Vater, William Hartree, an, Berechnungen für ihn durchzuführen. Bald darauf folgten Ergebnisse mit Austausch. Douglas erkannte die Bedeutung der Konfigurationswechselwirkung , die er als „Superposition von Konfigurationen“ bezeichnete. Die ersten Ergebnisse der Hartree-Fock-Gleichung für mehrere Konfigurationen wurden 1939 von Vater, Sohn und Bertha Swirles (später Lady Jeffreys) veröffentlicht.

Auf Hartrees Anregung hin leitete Bertha Swirles 1935 mithilfe der Dirac-Gleichung Gleichungen mit Austausch für Atome her . Auf Hartrees Rat hin wurden 1940 die ersten relativistischen Berechnungen (ohne Austausch) von AO Williams, einem Schüler von RB Lindsay , veröffentlicht .

Während des Zweiten Weltkriegs leitete Hartree zwei Rechengruppen. Die erste Gruppe, die für das Versorgungsministerium tätig war, wurde von Jack Howlett ^{[ 12 ]} als eine Art „Auftragswerkstatt“ für die Lösung von Differentialgleichungen beschrieben. Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war der Differentialanalysator der Universität Manchester der einzige vollwertige (acht Integratoren umfassende) Differentialanalysator des Landes. Es wurden Vorkehrungen getroffen, um die Maschine für Arbeiten zur Unterstützung der nationalen Kriegsanstrengungen zur Verfügung zu stellen. Die Gruppe bestand schließlich aus vier Mitgliedern ^{[ 13 ]} (Jack Howlett, Nicholas R. Eyres, J. G. L. Michel, Douglas Hartree und Phyllis Lockett Nicolson). Der Gruppe wurden Aufgaben ohne Angabe der Quelle gestellt, darunter die automatische Zielverfolgung, Funkwellenausbreitung, Unterwasserexplosionen, Wärmefluss in Stahl und die Diffusionsgleichung, die sich später als Problem der Isotopentrennung herausstellte. Die zweite Gruppe war die Magnetron-Forschungsgruppe von Phyllis Lockett Nicolson , David Copely und Oscar Buneman . Die Arbeit wurde im Auftrag des Komitees zur Koordinierung der Ventilentwicklung zur Unterstützung der Radarentwicklung durchgeführt. Wären mehr Integratoren verfügbar gewesen, hätte ein Differenzialanalysator zum Einsatz kommen können. Daher richtete Hartree seine Gruppe als drei „CPUs“ ein, die parallel an mechanischen Tischrechnern arbeiteten. Als Lösungsmethode wählte er eine heute klassische Partikelsimulation. ^{[ 14 ]} Hartree veröffentlichte seine Forschungsergebnisse zum Magnetron nie in Fachzeitschriften, obwohl er während des Krieges zahlreiche hochtechnische Geheimberichte verfasste.

Im April 1944 empfahl ein Komitee, dem auch Hartree angehörte, die Einrichtung einer mathematischen Abteilung innerhalb des National Physical Laboratory (NPL). Im Oktober wurde diese Empfehlung umgesetzt. Zu ihren ersten beiden Zielen gehörten die Untersuchung der möglichen Anpassung von automatischen Telefonanlagen an wissenschaftliche Geräte und die Entwicklung elektronischer Rechengeräte für schnelle Berechnungen. Man vermutet, dass einige Mitglieder bereits vom Colossus-Computer wussten . John R. Womersley ( Turings Erzfeind) wurde der erste Direktor. Im Februar 1945 unternahm er eine zweimonatige Reise zu Rechenanlagen in den USA, darunter auch ein Besuch des damals noch nicht fertiggestellten ENIAC . Er machte sich mit Entwürfen von von Neumanns berühmtem EDVAC- Bericht vom Juni 1945 vertraut . Etwa zwei Monate später besuchte auch Hartree den damals noch nicht öffentlich bekannten ENIAC.

Im Februar 1946 stellte Max Newman (der am Colossus-Computer beteiligt gewesen war ) einen Antrag bei der Royal Society auf Fördermittel für den Bau eines Universalrechners an der Universität Manchester . Die Royal Society leitete den Antrag zur Beratung an Hartree und C. G. Darwin , den Direktor des National Public Laboratory (NPL), weiter. Hartree befürwortete die Förderung, Darwin sprach sich jedoch dagegen aus, da Turings ACE am NPL seiner Ansicht nach für die Bedürfnisse des Landes ausreichend sei. Hartrees Argumentation setzte sich schließlich durch, und die Computerentwicklung in Manchester nahm ihren Lauf.

Hartree arbeitete weiter an Steuerungssystemen und war an der frühen Anwendung digitaler Computer beteiligt . Er beriet das US-Militär hinsichtlich des Einsatzes des ENIAC zur Berechnung ballistischer Tabellen. Im Sommer 1946 reiste Hartree zum zweiten Mal zum ENIAC , um dessen Anwendbarkeit in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen zu evaluieren. Dabei programmierte er als erster Zivilist das Gerät. Er wählte ein Problem, das die Strömung einer kompressiblen Flüssigkeit über eine Oberfläche betraf, beispielsweise Luft über die Oberfläche eines Flügels, der sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. ^{[ 15 ]}

Ende 1945 oder Anfang 1946 informierte Hartree Maurice Wilkes von der Universität Cambridge über die vergleichenden Entwicklungen im Bereich der Computertechnik in den USA, die er beobachtet hatte. Wilkes erhielt daraufhin eine Einladung der Moore School of Electrical Engineering (den Erbauern des ENIAC) zu einem Kurs über elektronische Computer. Vor seiner Abreise konnte Hartree ihn noch ausführlicher über den ENIAC unterrichten. Auf der Rückreise entwarf Wilkes den ersten Entwurf des EDSAC , der im Mai 1949 in Betrieb gehen sollte. Hartree arbeitete eng mit Wilkes zusammen, um die Anwendungsmöglichkeiten der Maschine für ein breites Spektrum an Problemen zu entwickeln und zeigte vor allem Nutzern aus verschiedenen Bereichen der Universität, wie sie diese in ihrer Forschungsarbeit einsetzen konnten.

1946 kehrte Hartree nach Cambridge zurück, um den Lehrstuhl für mathematische Physik (Plummer-Professur) anzutreten. Im Oktober hielt er seine Antrittsvorlesung mit dem Titel „Rechenmaschinen: Jüngste und zukünftige Entwicklungen und ihre Auswirkungen auf die mathematische Physik“. Darin beschrieb er den ENIAC und seine Arbeit daran. Bereits 1946, zwei Jahre bevor elektronisches Rechnen mit gespeicherter Programmierung Realität wurde, erkannte Hartree die Notwendigkeit von Unterprogrammen. Seine Antrittsvorlesung schloss mit einem Blick auf die Möglichkeiten von Computern. Er sagte: „…es gibt, wie ich gehört habe, viele Probleme von wirtschaftlichem, medizinischem und soziologischem Interesse und großer Bedeutung, die noch untersucht werden müssen, aber derzeit aufgrund des enormen Rechenaufwands nicht angegangen werden können.“

Am 7. November 1946 zitierte der Daily Telegraph Hartree nach einem Interview mit den Worten: „Die Auswirkungen dieser Maschine sind so weitreichend, dass wir uns nicht vorstellen können, wie sie unsere Zivilisation beeinflussen werden. Hier haben wir etwas, das einen Bereich menschlicher Tätigkeit um das Tausendfache beschleunigt. Im Transportwesen entspräche ACE der Fähigkeit, regelmäßig in fünf Sekunden von London nach Cambridge zu reisen. Es ist fast unvorstellbar.“ ^{[ 16 ]}

Hartrees vierter und letzter bedeutender Beitrag zur britischen Computerentwicklung begann Anfang 1947, als das Londoner Cateringunternehmen J. Lyons & Co. vom ENIAC hörte und im Sommer desselben Jahres ein kleines Team in die USA entsandte, um sich über die Entwicklungen zu informieren. Man erhoffte sich von den neuen Computern eine große Hilfe bei den umfangreichen Verwaltungs- und Buchhaltungsarbeiten des Unternehmens. Das Team traf sich mit Oberst Herman Goldstine am Institute for Advanced Study in Princeton, der Hartree über ihre Suche informierte. Unmittelbar nach Erhalt des Briefes lud Hartree Vertreter von Lyons zu einem Treffen mit ihm und Wilkes nach Cambridge ein. Dies führte zur Entwicklung einer kommerziellen Version des von Lyons entwickelten EDSAC, genannt LEO – dem ersten Computer für kommerzielle Geschäftsanwendungen. Nach Hartrees Tod wurde der Hauptsitz von LEO Computers in Hartree House umbenannt. Dies verdeutlicht, wie sehr Lyons Hartrees Beitrag zu ihrem neuen Unternehmen schätzte.

Hartrees letzter bedeutender Beitrag zur Computertechnik war eine Schätzung des potenziellen Computerbedarfs aus dem Jahr 1950, die deutlich niedriger ausfiel als der tatsächliche Bedarf: „Wir haben einen Computer hier in Cambridge, einen in Manchester und einen im [NPL]. Ich nehme an, es müsste auch einen in Schottland geben, aber das ist auch schon alles.“ Solche Unterschätzungen des benötigten Computerbedarfs waren damals üblich. ^{[ 17 ]}

Die letzte Doktorandin von Hartree in Cambridge, Charlotte Froese Fischer , wurde bekannt für die Entwicklung und Anwendung des Multi-Konfigurations-Hartree-Fock-Ansatzes ( MCHF ) zur Berechnung atomarer Strukturen sowie für ihre theoretische Vorhersage bezüglich der Existenz des negativen Calciumions.

Abseits seines Berufslebens war Douglas Hartree ein leidenschaftlicher Musiker mit umfassenden Kenntnissen der Orchester- und Kammermusik. Er spielte Klavier und dirigierte ein Amateurorchester. Diese Leidenschaft für Musik brachte ihn wohl auch mit seiner Frau Elaine Charlton zusammen, die eine begabte Pianistin war. Aus ihrer Ehe gingen zwei Söhne, Oliver und John Richard, sowie eine Tochter, Margaret, hervor. ^{[ 18 ]} Er starb am 12. Februar 1958 im Addenbrooke’s Hospital in Cambridge an Herzversagen . ^{[ 19 ]}

• Mitglied der Royal Society (1932) ^{[ 1 ]}
• Die Hartree-Energieeinheit ist nach ihm benannt.
• Das Hartree Centre ist nach ihm benannt.

• Hartree, DR (1949). Recheninstrumente und Maschinen . Urbana: University of Illinois Press .(auch (1950) Cambridge University Press )
• Hartree, DR (1952). Numerische Analysis . Oxford University Press .
• Hartree, DR (1957). Die Berechnung von Atomstrukturen . New York: Wiley & Sons .
• Hartree, DR (1984). Rechenmaschinen: Neuere und zukünftige Entwicklungen und ihre Auswirkungen auf die mathematische Physik sowie auf Recheninstrumente und -maschinen . Die Charles Babbage Institute-Reihe zur Geschichte des Rechnens. Band 6. Cambridge, USA: MIT Press .

• Froese Fischer, Charlotte (2003). Douglas Rayner Hartree: Sein Leben in Wissenschaft und Informatik . Singapur: World Scientific.
• Der Manchester-Differentialanalysator