Lewis Fry Richardson , FRS [1] (11 de octubre de 1881 - 30 de septiembre de 1953) fue un matemático , físico , meteorólogo , psicólogo y pacifista inglés que fue pionero en las técnicas matemáticas modernas de predicción meteorológica y en la aplicación de técnicas similares para estudiar las causas de las guerras y cómo prevenirlas. También es conocido por su trabajo pionero sobre los fractales y un método para resolver un sistema de ecuaciones lineales conocido como iteración de Richardson modificada . [2]
Lewis Fry Richardson fue el menor de los siete hijos de Catherine Fry (1838-1919) y David Richardson (1835-1913). Eran una próspera familia cuáquera , en la que David Richardson dirigía un exitoso negocio de curtido y fabricación de cuero. [3]
A los 12 años fue enviado a un internado cuáquero , Bootham School [4] [5] en York , donde recibió una educación en ciencias, lo que estimuló un interés activo en la historia natural . En 1898 ingresó en el Durham College of Science (una facultad de la Universidad de Durham ), donde tomó cursos de física matemática , química , botánica y zoología . En 1900 se trasladó al King's College, Cambridge , donde recibió clases de física en el examen final de ciencias naturales de (entre otros) JJ Thomson y se graduó con un título de primera clase en 1903. [6] A los 47 años recibió un doctorado en psicología matemática de la Universidad de Londres . [7]
La vida laboral de Richardson representó sus intereses eclécticos: [8]
En 1926 fue elegido miembro de la Royal Society . [1] [9]
Las creencias cuáqueras de Richardson implicaron un ardiente pacifismo que lo eximió del servicio militar durante la Primera Guerra Mundial como objetor de conciencia , aunque esto posteriormente lo descalificó para tener cualquier puesto académico. Richardson trabajó de 1916 a 1919 para la Unidad de Ambulancias de los Amigos adjunta a la 16.ª División de Infantería Francesa. Después de la guerra, se reincorporó a la Oficina Meteorológica, pero se vio obligado a dimitir por motivos de conciencia cuando se fusionó con el Ministerio del Aire en 1920. Posteriormente siguió una carrera al margen del mundo académico antes de retirarse en 1940 para investigar sus propias ideas. Su pacifismo tuvo consecuencias directas en sus intereses de investigación. Según Thomas Körner , [10] el descubrimiento de que su trabajo meteorológico era de valor para los diseñadores de armas químicas le hizo abandonar todos sus esfuerzos en este campo y destruir los hallazgos que aún no había publicado.
El interés de Richardson por la meteorología le llevó a proponer un esquema para la predicción del tiempo mediante la solución de ecuaciones diferenciales , el método que se utiliza actualmente, aunque cuando publicó Weather Prediction by Numerical Process en 1922 no se disponía de un sistema de cálculo rápido adecuado. Describió sus ideas de esta manera:
"Después de tanto razonamiento, ¿se puede jugar con la fantasía? Imaginemos una gran sala como un teatro, con la diferencia de que los círculos y las galerías rodean el espacio que normalmente ocupa el escenario. Las paredes de esta cámara están pintadas formando un mapa del globo. El techo representa las regiones polares del norte: Inglaterra está en la galería, los trópicos en el círculo superior, Australia en el círculo de la gala y la Antártida en el foso.
Una miríada de ordenadores [personas que calculan] trabajan sobre el clima de la parte del mapa en la que cada uno se sienta, pero cada ordenador sólo se ocupa de una ecuación o parte de una ecuación. El trabajo de cada región está coordinado por un funcionario de rango superior. Numerosos pequeños "letreros nocturnos" muestran los valores instantáneos para que los ordenadores vecinos puedan leerlos. De este modo, cada número se muestra en tres zonas adyacentes para mantener la comunicación con el Norte y el Sur del mapa.
Desde el suelo del foso se alza una alta columna que alcanza la mitad de la altura de la sala. En su parte superior hay un gran púlpito. En él se sienta el hombre encargado de todo el teatro, rodeado de varios ayudantes y mensajeros. Una de sus obligaciones es mantener una velocidad uniforme de progreso en todas las partes del globo. En este sentido es como el director de una orquesta cuyos instrumentos son reglas de cálculo y máquinas de calcular. Pero en lugar de agitar una batuta, dirige un haz de luz rosada hacia las regiones que van por delante de las demás y un haz de luz azul hacia las que van por detrás.
Cuatro empleados de alto rango en el púlpito central recopilan el pronóstico del tiempo futuro a la misma velocidad con la que se calcula y lo envían por un transportador neumático a una sala tranquila, donde se codifica y se envía por teléfono a la estación de transmisión por radio. Los mensajeros llevan pilas de formularios de cálculo usados a un almacén en el sótano.
En un edificio vecino hay un departamento de investigación, donde inventan mejoras. Pero hay muchos experimentos a pequeña escala antes de que se haga cualquier cambio en la compleja rutina de la sala de computación. En un sótano, un entusiasta está observando remolinos en el revestimiento líquido de un enorme cuenco giratorio, pero hasta ahora la aritmética demuestra ser la mejor manera. En otro edificio están todas las oficinas financieras, de correspondencia y administrativas habituales. Fuera hay campos de juego, casas, montañas y lagos, ya que se pensaba que quienes calculan el tiempo deberían respirar libremente. (Richardson 1922)
Cuando Richardson recibió la noticia del primer pronóstico meteorológico realizado por el primer ordenador moderno, ENIAC , en 1950, respondió que los resultados eran un "enorme avance científico". Los primeros cálculos para un pronóstico de 24 horas le llevaron a ENIAC casi 24 horas para producirse. [11]
También se interesó por la turbulencia atmosférica y realizó muchos experimentos terrestres. El número de Richardson , un parámetro adimensional de la teoría de la turbulencia, lleva su nombre. Resumió la turbulencia en versos rimados en Predicción del tiempo mediante procesos numéricos (p. 66): [12]
Los grandes remolinos tienen pequeños remolinos que se alimentan de su velocidad,
- y los pequeños remolinos tienen remolinos menores y así sucesivamente hasta la viscosidad.
[Un juego de palabras con dos versos del poema Siphonaptera de Augustus De Morgan : "Las pulgas grandes tienen pulgas pequeñas en la espalda que las pican, / y las pulgas pequeñas tienen pulgas menores, y así hasta el infinito ". ( A Budget of Paradoxes , 1915). Los versos de De Morgan reformulan dos versos del poema satírico de Jonathan Swift "On Poetry: A Rapsody" de 1733.]
Uno de los logros más celebrados de Richardson es su intento retroactivo de pronosticar el tiempo durante un solo día (el 20 de mayo de 1910) mediante un cálculo directo. En esa época, los meteorólogos realizaban pronósticos principalmente buscando patrones meteorológicos similares en los registros y luego extrapolando hacia el futuro. Richardson intentó utilizar un modelo matemático de las características principales de la atmósfera y utilizar datos tomados a una hora específica (7 a. m.) para calcular el tiempo seis horas después ab initio . Como deja claro el meteorólogo Peter Lynch , [13] el pronóstico de Richardson falló estrepitosamente, prediciendo un enorme aumento de 145 hectopascales (4,3 inHg) en la presión durante seis horas cuando la presión en realidad era más o menos estática. Sin embargo, el análisis detallado de Lynch ha demostrado que la causa fue una falla en la aplicación de técnicas de suavizado a los datos, que descartan aumentos no físicos de la presión. Al aplicarlos, se revela que el pronóstico de Richardson es esencialmente exacto, un logro notable considerando que los cálculos se hicieron a mano y mientras Richardson servía en la unidad de ambulancias cuáquera en el norte de Francia.
Richardson también aplicó sus habilidades matemáticas al servicio de sus principios pacifistas, en particular para comprender las bases de los conflictos internacionales. Por esta razón, ahora se lo considera el iniciador, o co-iniciador (junto con Quincy Wright y Pitirim Sorokin , así como otros como Kenneth Boulding , Anatol Rapaport y Adam Curle ), del análisis científico de los conflictos, un tema interdisciplinario de las ciencias sociales cuantitativas y matemáticas dedicado a la investigación sistemática de las causas de la guerra y las condiciones de la paz. Al igual que había hecho con el clima, analizó la guerra utilizando principalmente ecuaciones diferenciales y teoría de la probabilidad. Considerando el armamento de dos naciones, Richardson postuló un sistema idealizado de ecuaciones según el cual la tasa de acumulación de armamento de una nación es directamente proporcional a la cantidad de armas que tiene su rival y también a los agravios que siente hacia el rival, y negativamente proporcional a la cantidad de armas que ya tiene. La solución de este sistema de ecuaciones permite extraer conclusiones esclarecedoras sobre la naturaleza y la estabilidad o inestabilidad de diversas condiciones hipotéticas que podrían darse entre las naciones.
También fue el creador de la teoría de que la propensión a la guerra entre dos naciones era una función de la longitud de su frontera común. Y en Armas e inseguridad (1949) y Estadísticas de disputas mortales (1960), trató de analizar estadísticamente las causas de la guerra. Entre los factores que evaluó se encontraban la economía, el idioma y la religión. En el prefacio de este último, escribió: "Hay en el mundo una gran cantidad de brillantes e ingeniosos debates políticos que no conducen a ninguna convicción establecida. Mi objetivo ha sido otro: examinar algunas nociones mediante técnicas cuantitativas con la esperanza de llegar a una respuesta fiable".
En Statistics of Deadly Quarrels, Richardson presentó datos sobre prácticamente todas las guerras desde 1815 hasta 1950, que clasificó utilizando una escala logarítmica de base 10 basada en el número de muertes en batalla producidas por un conflicto. De esta manera, fue el primero en observar que los tamaños de las guerras parecían seguir una distribución de Pareto altamente sesgada hacia la derecha , en la que mientras que los conflictos pequeños son relativamente comunes, los conflictos más grandes son órdenes de magnitud más grandes que el conflicto "típico". Si bien los tamaños de los conflictos se pueden predecir con anticipación, Richardson demostró que el número de guerras internacionales por año sigue una distribución de Poisson . [14] En una escala más pequeña, mostró un patrón similar para los asesinatos de pandillas en Chicago y Shanghái, y planteó la hipótesis de que una regla universal conectaba la frecuencia y el tamaño de todas las "disputas mortales".
A principios del siglo XXI, el trabajo de Richardson sobre los conflictos gozó de un resurgimiento entre los estudiosos de los conflictos, ya que se descubrió que su patrón de distribución de ley de potencia aparecía en las estadísticas de varios otros tipos de conflictos, incluidos el terrorismo y las turbas violentas, y su trabajo ha informado el debate sobre la durabilidad de la " larga paz " desde 1946. Los estadísticos modernos han demostrado que, si bien los análisis de Richardson no eran rigurosos según los estándares modernos, sus conclusiones estadísticas se sostienen en gran medida: los tamaños y frecuencias de los conflictos armados siguen plausiblemente un patrón de ley de potencia, y que la tasa de inicio de nuevas guerras está bien modelada por una distribución de Poisson. [15]
Richardson decidió buscar una relación entre la probabilidad de que dos países entraran en guerra y la longitud de su frontera común. Sin embargo, al recopilar datos, descubrió que existía una variación considerable en las distintas longitudes publicadas de las fronteras internacionales. Por ejemplo, la longitud de las fronteras entre España y Portugal se citaba como 987 o 1214 km, y la de las fronteras entre los Países Bajos y Bélgica como 380 o 449 km. [16]
La razón de estas inconsistencias es la " paradoja de la línea costera ". Supongamos que se mide la costa de Gran Bretaña utilizando una regla de 200 km, especificando que ambos extremos de la regla deben tocar la costa. Ahora corte la regla por la mitad y repita la medición, luego repita:
Cuanto más pequeña sea la regla, más larga será la línea de costa resultante. Podría suponerse que estos valores convergerían hacia un número finito que representa la longitud real de la línea de costa. Sin embargo, Richardson demostró que esto no es así: la longitud medida de las costas y otras características naturales aumenta sin límite a medida que la unidad de medida se hace más pequeña. [17] Esto se conoce hoy en día como el efecto Richardson . [18]
En su momento, la comunidad científica ignoró la investigación de Richardson. Hoy en día, se considera un elemento del comienzo del estudio moderno de los fractales . La investigación de Richardson fue citada por el matemático Benoît Mandelbrot en su artículo de 1967 How Long Is the Coast of Britain? Richardson identificó un valor (entre 1 y 2) que describiría los cambios (con un aumento del detalle de la medición) en la complejidad observada para una línea costera en particular; este valor sirvió como modelo para el concepto de dimensión fractal . [19]
En abril de 1912, poco después del naufragio del Titanic , Richardson registró una patente para la detección de icebergs mediante ecolocalización acústica en el aire. Un mes después registró una patente similar para la ecolocalización acústica en el agua, anticipándose a la invención del sonar por parte de Paul Langevin y Robert Boyle seis años después. [20]
Una versión ficticia de Richardson, llamada Wallace Ryman, juega un papel fundamental en la novela Turbulence de Giles Foden . [21]
Richardson es mencionado en la obra de John Brunner , Stand on Zanzibar, donde las estadísticas de peleas mortales se utilizan como argumento de que las guerras son inevitables.
El trabajo de Richardson también se menciona en la novela corta de ficción especulativa de Poul Anderson , Kings Who Die .
Richardson se menciona en la novela Antkind de Charlie Kaufman de 2020 .
La famosa cita de Richardson: "Los grandes remolinos tienen pequeños remolinos que se alimentan de su velocidad; los pequeños remolinos tienen remolinos menores y así sucesivamente hasta la viscosidad" se menciona en la canción "Dots & Lines", escrita e interpretada por el letrista y rapero Lupe Fiasco .
En 1909 se casó con Dorothy Garnett (1885-1956), hija del matemático y físico William Garnett . [22] No pudieron tener hijos debido a una incompatibilidad de tipos sanguíneos [ aclaración necesaria ] , pero adoptaron dos hijos y una hija entre 1920 y 1927. [23]
El sobrino de Richardson, Ralph Richardson, se convirtió en un actor destacado. Su sobrino nieto (a través del hermano mayor de su esposa Dorothy, (James Clerk) Maxwell Garnett , CBE), Julian Hunt , se convirtió en meteorólogo y director general y director ejecutivo de la Oficina Meteorológica Británica de 1992 a 1997. [24] Una sobrina nieta, de la misma línea de descendencia, es la ex política Virginia Bottomley , ahora baronesa Bottomley. [25] [26]
Desde 1997, la Medalla Lewis Fry Richardson ha sido otorgada por la Unión Europea de Geociencias por "contribuciones excepcionales a la geofísica no lineal en general" (por EGS hasta 2003 [27] y por EGU desde 2004). [28]
Los ganadores han sido:
Desde 1959, en la Universidad de Lancaster existe un centro de estudios sobre la paz llamado Instituto Richardson, que lleva a cabo investigaciones interdisciplinarias sobre la paz y los conflictos siguiendo el espíritu de Lewis Fry Richardson. [30]
En la sección anterior se tomaron integrales alrededor de figuras geométricas simples, como paso preliminar para tomarlas alrededor de fronteras mostradas en mapas políticos. Surgió una duda embarazosa sobre si las fronteras reales eran tan intrincadas como para invalidar esa teoría por lo demás prometedora. Se realizó una investigación especial para resolver esta cuestión. Se notaron algunas características extrañas; sin embargo, se encontró que era posible una corrección general general. A continuación se informarán los resultados. ... Para explicar cómo puede surgir el azar en un mundo que consideraba estrictamente determinista, Héri Poincaré* (sin fecha) llamó la atención sobre causas insignificantes que producían efectos muy notables. Las costas marinas son un ejemplo adecuado.
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