Douglas Rayner Hartree

Douglas Rayner Hartree

27. 3. 1897–12. 2. 1958

Anglický fyzik, matematik a průkopník výpočetní techniky Douglas Rayner Hartree patří k zakladatelům kvantové chemie. Jeho metoda samokonzistentního pole – ve formě Hartreeho-Fockovy aproximace – je dodnes základním nástrojem výpočtů elektronové struktury atomů a molekul. Po Hartreem je pojmenována také atomová jednotka energie hartree (Eh) používaná v atomové a molekulární fyzice.

Život a kariéra

Douglas Rayner Hartree se narodil 27. března 1897 v Cambridge do rodiny inženýra Williama Hartreeho, lektora strojního inženýrství na Cambridgeské univerzitě. Jeho matka Eva Rayner byla významnou veřejnou činitelkou – první ženou ve funkci starostky Cambridge a předsedkyní Národní rady žen. V roce 1915 nastoupil na St. John's College v Cambridge, jeho studia však přerušila první světová válka; Hartree se zapojil do skupiny zabývající se balistikou protiletadlové palby (1916–1918), kde získal první praktické zkušenosti s numerickou aproximací složitých rovnic.

Studia dokončil v roce 1922 a v roce 1926 obhájil doktorát pod vedením Ernesta Rutherforda. Byl členem St. John's College (1924–1927) a Christ's College (1928–1929). V roce 1929 byl jmenován na Beyerovu katedru aplikované matematiky v Manchesteru, od roku 1937 zde působil jako profesor teoretické fyziky. V roce 1946 přešel do Cambridge jako profesor matematické fyziky, kde působil až do své smrti.

Hartreeho-Fockova metoda

Po přednášce Nielse Bohra v Cambridge v roce 1921 začal Hartree uplatňovat numerické metody na Bohrovu teorii atomu. Po publikování Schrödingerovy rovnice v roce 1926 odvodil pro mnohaelektronové atomy soustavu Hartreeho rovnic popisujících rozložení elektronů a navrhl jejich iterativní řešení metodou samokonzistentního pole (self-consistent field, SCF): každý elektron se pohybuje v průměrném poli vytvořeném ostatními elektrony, rovnice se opakovaně řeší, dokud se výsledek neustálí.

Původní Hartreeho vlnové funkce ale nesplňovaly Pauliho vylučovací princip. Vladimir A. Fock proto v roce 1930 rozšířil metodu o výměnnou interakci využitím antisymetrických determinantových funkcí (Slater); výsledné rovnice se dnes nazývají Hartreeho-Fockovy. Metoda zůstává základem moderní kvantové chemie a výchozím bodem prakticky všech teorií elektronové struktury (DFT, post-Hartree-Fock metody).

Diferenciální analyzér a ENIAC

Pro řešení svých rovnic potřeboval Hartree výkonnější výpočetní nástroje. V roce 1933 navštívil v MIT Vannevara Bushe, který tam zkonstruoval první plně funkční diferenciální analyzér – mechanický analogový počítač pro řešení obyčejných diferenciálních rovnic (myšlenku integrátoru s rotujícím diskem navrhl už William Thomson, lord Kelvin, v roce 1876). Po návratu Hartree v Manchesteru postavil zmenšený funkční prototyp z dílů dětské stavebnice Meccano a jeho úspěch jej přesvědčil pro stavbu plnohodnotné verze. Stroj použil mimo jiné pro úlohy řízení, mezní vrstvy v hydrodynamice a výpočet jízdních řádů železnice London, Midland and Scottish Railway.

V létě 1946 se Hartree stal prvním civilistou, který ENIAC naprogramoval pro nevojenskou aplikaci – problém proudění stlačitelné kapaliny přes povrch (vzduch nad křídlem pohybujícím se nadzvukovou rychlostí). Původně byl ENIAC (dokončen v únoru 1946) postaven pro výpočty balistických tabulek pro armádu; Hartree ho poprvé navštívil právě v tomto vojenském kontextu, teprve při druhé návštěvě prosadil nevojenské použití. Po návratu do Británie aktivně prosazoval stavbu elektronických počítačů v Cambridge, Manchesteru a v National Physical Laboratory.

Další oblasti

Když Fockova publikace v roce 1930 předstihla Hartreeho práci o výměnných interakcích, Hartree přesměroval výzkum na šíření radiových vln v ionosféře. Společně s Edwardem Appletonem zformuloval Appletonovu-Hartreeho rovnici, popisující šíření elektromagnetických vln v chladné magnetizované plazmě. Za druhé světové války zastával četné poradní role v britském Ministerstvu zásobování.

Douglas Rayner Hartree zemřel 12. února 1958 v Cambridge.

Pojmenováno po něm

Další informace