Douglas Rayner Hartree FRS (27 de marzo de 1897 - 12 de febrero de 1958) fue un matemático y físico inglés famoso por el desarrollo del análisis numérico y su aplicación a las ecuaciones de Hartree-Fock de la física atómica y la construcción de un analizador diferencial utilizando Mecano . [2] [3]
Douglas Hartree nació en Cambridge , Inglaterra. Su padre, William, era profesor de ingeniería en la Universidad de Cambridge y su madre, Eva Rayner , fue presidenta del Consejo Nacional de Mujeres de Gran Bretaña y la primera mujer en ser alcaldesa de la ciudad de Cambridge. Uno de sus bisabuelos fue Samuel Smiles ; [1] otro fue el ingeniero naval William Hartree, socio de John Penn . [4] Douglas Hartree fue el mayor de tres hijos que sobrevivieron a la infancia. Un hermano y una hermana murieron en la infancia cuando él todavía era un niño, pero sus dos hermanos también morirían más tarde. El hermano de 7 años de Hartree, John Edwin, murió cuando Hartree tenía 17 años, y el hermano de 22 años de Hartree, Colin William, murió de meningitis en febrero de 1920 cuando Hartree tenía 23 años. [5] Su prima materna fue la geóloga Dorothy Helen Rayner . [6]
Hartree asistió a la St Faith's School en Cambridge, luego a la Bedales School , regresando a Cambridge para sus estudios de grado en St John's College, Cambridge , que la Primera Guerra Mundial interrumpió. Él (y su padre y hermano) se unieron a un grupo que trabajaba en balística antiaérea bajo AV Hill , donde adquirió una habilidad considerable y un interés permanente en el cálculo práctico y los métodos numéricos para ecuaciones diferenciales, ejecutando la mayor parte de su propio trabajo con lápiz y papel. [7] Según Hill, escribiendo en el obituario de Hartree, "Un día, silenciosamente, improvisó un buscador de altura de base larga con algunos cables, postes y una cinta de acero". Esto se conoció como el buscador de altura Hartree y fue ampliamente utilizado por las tropas antiaéreas británicas hasta que se introdujeron mejores buscadores de altura ópticos. Se decía que su ventaja era que la altura se puede calcular a partir de las cantidades observadas "muy rápidamente mediante el uso de nada más que aritmética simple". También era barato de fabricar y fácil de usar.
Después del final de la Primera Guerra Mundial, Hartree regresó a Cambridge y se graduó en 1922 con una licenciatura de segunda clase en ciencias naturales.
En 1921, una visita de Niels Bohr a Cambridge inspiró a Hartree a aplicar sus habilidades numéricas a la teoría del átomo de Bohr , por la que obtuvo su doctorado en 1926; su asesor fue Ernest Rutherford . Con la publicación de la ecuación de Schrödinger en el mismo año, Hartree pudo aplicar su conocimiento de ecuaciones diferenciales y análisis numérico a la nueva teoría cuántica . Derivó las ecuaciones de Hartree para la distribución de electrones en un átomo y propuso el método de campo autoconsistente para su solución. Las funciones de onda de esta teoría no satisfacían el principio de exclusión de Pauli para el cual Slater demostró que se requieren funciones determinantes. V. Fock publicó las "ecuaciones con intercambio" ahora conocidas como ecuaciones de Hartree-Fock . Estas son considerablemente más exigentes computacionalmente incluso con los métodos eficientes que Hartree propuso para el cálculo de las contribuciones de intercambio. Hoy en día, las ecuaciones de Hartree-Fock son de gran importancia para el campo de la química computacional , y se aplican y resuelven numéricamente dentro de la mayoría de los programas de teoría funcional de la densidad utilizados para los cálculos de la estructura electrónica de moléculas y sistemas de fase condensada. [8] [9]
En 1929, Hartree fue nombrado titular de la Cátedra Beyer de Matemáticas Aplicadas en la Universidad de Manchester . En 1933, visitó a Vannevar Bush en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y conoció de primera mano su analizador diferencial . Inmediatamente después de su regreso a Manchester , se dedicó a construir su propio analizador de Meccano . Al ver el potencial para explotar aún más sus métodos numéricos utilizando la máquina, convenció a Sir Robert McDougall para que financiara una máquina más robusta, que se construyó en colaboración con Metropolitan-Vickers .
La primera aplicación de la máquina, que refleja el entusiasmo de Hartree por los ferrocarriles, fue el cálculo de horarios para el ferrocarril de Londres, Midland y Escocia . [10] Pasó el resto de la década aplicando el analizador diferencial para encontrar soluciones de ecuaciones diferenciales que surgen en física, incluida la teoría de control y la teoría de la capa límite laminar en dinámica de fluidos, haciendo contribuciones significativas a cada uno de los campos.
El analizador diferencial no era adecuado para la solución de ecuaciones con intercambio. Cuando la publicación de Fock se adelantó al trabajo de Hartree sobre ecuaciones con intercambio, Hartree dirigió su investigación a la propagación de ondas de radio que condujo a la ecuación de Appleton-Hartree . En 1935, su padre, William Hartree, se ofreció a hacer cálculos por él. Pronto llegaron los resultados con intercambio. Douglas reconoció la importancia de la interacción de configuraciones a la que se refirió como "superposición de configuraciones". Los primeros resultados multiconfiguracionales de Hartree-Fock fueron publicados por padre, hijo y Bertha Swirles (más tarde Lady Jeffreys) en 1939.
Por sugerencia de Hartree, Bertha Swirles procedió a derivar ecuaciones con intercambio de átomos utilizando la ecuación de Dirac en 1935. Con el asesoramiento de Hartree, los primeros cálculos relativistas (sin intercambio) fueron reportados en 1940 por AO Williams, un estudiante de RB Lindsay .
Durante la Segunda Guerra Mundial, Hartree supervisó dos grupos de computación. El primer grupo, para el Ministerio de Abastecimiento, ha sido descrito por Jack Howlett [11] como un "taller de trabajo" para la solución de ecuaciones diferenciales. Al estallar la Segunda Guerra Mundial, el analizador diferencial de la Universidad de Manchester era el único analizador diferencial de tamaño completo (ocho integradores) en el país. Se hicieron arreglos para que la máquina estuviera disponible para trabajar en apoyo del esfuerzo bélico nacional. Con el tiempo, el grupo estuvo formado por cuatro miembros [12] (Jack Howlett, Nicholas R. Eyres, JGL Michel, Douglas Hartree y Phyllis Lockett Nicolson). Los problemas se presentaban al grupo sin información sobre la fuente, pero incluían el seguimiento automático de objetivos, la propagación de radio, las explosiones submarinas, el flujo de calor en el acero y la ecuación de difusión que más tarde se descubrió que era para la separación de isótopos. El segundo grupo era el grupo de investigación del magnetrón de Phyllis Lockett Nicolson , David Copely y Oscar Buneman . El trabajo se realizó para el Comité de Coordinación del Desarrollo de Válvulas, que colaboraba en el desarrollo del radar. Se podría haber utilizado un analizador diferencial si se hubieran dispuesto de más integradores, por lo que Hartree organizó su grupo en tres "CPU" para trabajar en calculadoras mecánicas de escritorio en paralelo. Como método de solución, seleccionó lo que ahora es una simulación clásica de partículas. [13] Hartree nunca publicó ninguno de los hallazgos de su investigación sobre magnetrones en revistas, aunque escribió numerosos informes secretos altamente técnicos durante la guerra.
En abril de 1944, un comité en el que se encontraba Hartree recomendó que se estableciera una sección matemática dentro del Laboratorio Nacional de Física (NPL). En octubre, esta recomendación se puso en práctica y sus dos primeros objetivos fueron la investigación de la posible adaptación de equipos telefónicos automáticos a equipos científicos y el desarrollo de dispositivos informáticos electrónicos adecuados para la computación rápida. Se sospecha que algunos miembros ya conocían la computadora Colossus . John R. Womersley ( la bestia negra de Turing ) fue el primer director. En febrero de 1945 realizó una gira de dos meses por las instalaciones informáticas de los EE. UU., incluida una visita a ENIAC (aún no terminada). Se familiarizó con los borradores del famoso informe EDVAC de von Neumann de junio de 1945. Aproximadamente dos meses después, Hartree también fue a ver ENIAC, que entonces no era conocido públicamente.
En febrero de 1946, Max Newman (que había estado involucrado en la computadora Colossus ) presentó una solicitud a la Royal Society para obtener fondos para iniciar la tarea de construir una computadora de propósito general en la Universidad de Manchester . La Royal Society remitió la solicitud a Hartree y CG Darwin , director de la NPL, para que los asesoraran. Hartree recomendó la subvención, pero Darwin se opuso con el argumento de que el ACE de Turing en la NPL sería suficiente para satisfacer las necesidades del país. Pero la opinión de Hartree ganó la partida y se iniciaron los avances en informática en Manchester .
Hartree continuó trabajando en sistemas de control y participó en la aplicación temprana de computadoras digitales , asesorando al ejército de los EE. UU. sobre el uso de ENIAC para calcular tablas balísticas. En el verano de 1946, Hartree hizo su segundo viaje a ENIAC para evaluar su aplicabilidad a una amplia gama de ciencias, cuando se convirtió en el primer civil en programarlo. Para esto, seleccionó un problema que involucraba el flujo de un fluido compresible sobre una superficie, como el aire sobre la superficie de un ala que viaja más rápido que la velocidad del sonido. [14]
A finales de 1945 o principios de 1946, Hartree informó a Maurice Wilkes, de la Universidad de Cambridge, sobre los avances comparativos en informática que había visto en los EE. UU. Wilkes recibió una invitación de la Escuela Moore de Ingeniería Eléctrica (los constructores de ENIAC) para asistir a un curso sobre computadoras electrónicas. Antes de partir, Hartree pudo informarle más detalladamente sobre ENIAC. Fue en el barco de regreso a casa donde Wilkes planificó el diseño original de EDSAC , que entraría en funcionamiento en mayo de 1949. Hartree trabajó en estrecha colaboración con Wilkes en el desarrollo del uso de la máquina para una amplia gama de problemas y, lo más importante, mostró a los usuarios de varias áreas de la universidad cómo podían usarla en su trabajo de investigación.
Hartree regresó a Cambridge para ocupar el puesto de profesor Plummer de física matemática en 1946. En octubre, dio una conferencia inaugural titulada "Máquinas calculadoras: desarrollos recientes y prospectivos y su impacto en la física matemática". En ella describió el ENIAC y el trabajo que Hartree había realizado en él. Incluso en 1946, dos años antes de que la computación electrónica con programación almacenada se convirtiera en una realidad, Hartree vio la necesidad del uso de subrutinas. Su conferencia inaugural terminó con una mirada a lo que las computadoras podrían hacer. Dijo: "... tengo entendido que hay muchos problemas de interés e importancia económica, médica y sociológica que esperan ser estudiados y que en la actualidad no se pueden abordar debido a la formidable carga de computación que implica".
El 7 de noviembre de 1946, el Daily Telegraph , tras entrevistar a Hartree, lo citó diciendo: "Las implicaciones de la máquina son tan vastas que no podemos concebir cómo afectarán a nuestra civilización. Aquí tenemos algo que está haciendo que un campo de la actividad humana sea 1.000 veces más rápido. En el campo del transporte, el equivalente a ACE sería la capacidad de viajar de Londres a Cambridge... en cinco segundos como algo normal. Es casi inimaginable". [15]
La cuarta y última contribución importante de Hartree a la informática británica comenzó a principios de 1947, cuando la empresa de catering J. Lyons & Co. de Londres se enteró de la existencia de ENIAC y envió un pequeño equipo en el verano de ese año para estudiar lo que estaba sucediendo en los EE. UU., porque pensaban que estas nuevas computadoras podrían ser de ayuda en la enorme cantidad de trabajo administrativo y contable que tenía que hacer la empresa. El equipo se reunió con el coronel Herman Goldstine en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, quien escribió a Hartree para contarle sobre su búsqueda. Tan pronto como recibió esta carta, Hartree escribió e invitó a los representantes de Lyons a que vinieran a Cambridge para una reunión con él y Wilkes. Esto llevó al desarrollo de una versión comercial de EDSAC desarrollada por Lyons, llamada LEO , la primera computadora utilizada para aplicaciones comerciales. Después de la muerte de Hartree, la sede de LEO Computers pasó a llamarse Hartree House. Esto ilustra hasta qué punto Lyons sintió que Hartree había contribuido a su nueva empresa.
La última contribución famosa de Hartree a la informática fue una estimación en 1950 de la demanda potencial de ordenadores, que resultó ser mucho menor de lo que resultó ser: "Tenemos un ordenador aquí en Cambridge, uno en Manchester y uno en la [NPL]. Supongo que debería haber uno en Escocia, pero eso es todo". Este tipo de subestimaciones de la cantidad de ordenadores que serían necesarios eran habituales en aquella época. [16]
La última estudiante de doctorado de Hartree en Cambridge, Charlotte Froese Fischer , se hizo conocida por el desarrollo e implementación del enfoque multiconfiguración Hartree-Fock ( MCHF ) para los cálculos de estructura atómica y por su predicción teórica sobre la existencia del ion calcio negativo.
Fuera de su vida profesional, Douglas Hartree era un apasionado de la música, con amplios conocimientos de música orquestal y de cámara. Tocaba el piano y era director de una orquesta amateur. Esta pasión por la música fue quizás lo que lo unió a su esposa, Elaine Charlton, que era una pianista consumada. De su matrimonio nacieron dos hijos, Oliver y John Richard, y una hija, Margaret. [17] Murió de insuficiencia cardíaca en el Hospital Addenbrooke de Cambridge el 12 de febrero de 1958. [18]
