دوغلاس هارتري

دوغلاس راينر هارتري، زميل الجمعية الملكية (27 مارس 1897  - 12 فبراير 1958)، كان عالم رياضيات وفيزياء إنجليزيًا اشتهر بتطوير التحليل العددي وتطبيقه على معادلات هارتري-فوك في الفيزياء الذرية ، وبناء محلل تفاضلي باستخدام ميكانو . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

وُلد دوغلاس هارتري في كامبريدج ، إنجلترا. كان والده، ويليام، محاضرًا في الهندسة بجامعة كامبريدج . أما والدته، إيفا راينر ، فكانت رئيسة المجلس الوطني للمرأة في بريطانيا العظمى، وأول امرأة تتولى منصب عمدة مدينة كامبريدج. كان أحد أجداده صموئيل سمايلز ؛ ^{[ 1 ]} وجده الآخر هو المهندس البحري ويليام هارتري، شريك جون بن . ^{[ 4 ]} كان دوغلاس هارتري أكبر ثلاثة أبناء نجوا من مرحلة الرضاعة. توفي شقيقه وشقيقته في طفولتهما، لكن شقيقيه توفيا لاحقًا. توفي شقيقه جون إدوين، البالغ من العمر سبع سنوات، عندما كان هارتري في السابعة عشرة من عمره، وتوفي شقيقه كولين ويليام، البالغ من العمر 22 عامًا، بمرض التهاب السحايا في فبراير 1920 عندما كان هارتري في الثالثة والعشرين من عمره. ^{[ 5 ]} كانت ابنة عمه من جهة الأم الجيولوجية دوروثي هيلين راينر . ^{[ 6 ]}

التحق هارتري بمدرسة سانت فيث في كامبريدج، ثم مدرسة بيديلز ، وعاد إلى كامبريدج لإكمال دراسته الجامعية في كلية سانت جون، والتي توقفت بسبب الحرب العالمية الأولى . انضم هو (ووالده وشقيقه) إلى فريق يعمل على دراسة المقذوفات المضادة للطائرات تحت إشراف إيه في هيل ، حيث اكتسب مهارة كبيرة واهتمامًا عميقًا بالحسابات العملية والأساليب العددية للمعادلات التفاضلية، وكان يُنجز معظم أعماله بنفسه باستخدام القلم والورق. ^{[ 7 ]} ووفقًا لهيل، الذي كتب في رثاء هارتري، «في أحد الأيام، قام هارتري بهدوء بصنع جهاز قياس ارتفاع ذي قاعدة طويلة من بعض الأسلاك والأعمدة وشريط فولاذي». عُرف هذا الجهاز باسم جهاز هارتري لقياس الارتفاع، واستخدمته القوات البريطانية المضادة للطائرات على نطاق واسع حتى تم إدخال أجهزة قياس الارتفاع البصرية الأفضل. وقيل إن ميزته تكمن في إمكانية حساب الارتفاع من الكميات المرصودة «بسرعة كبيرة باستخدام العمليات الحسابية البسيطة فقط». كما كان تصنيعه رخيصًا وسهل الاستخدام.

بعد انتهاء الحرب العالمية الأولى، عاد هارتري إلى كامبريدج وتخرج عام 1922 بدرجة من الدرجة الثانية في العلوم الطبيعية.

في عام ١٩٢١، ألهمت زيارة نيلز بور إلى كامبريدج هارتري لتطبيق مهاراته العددية على نظرية بور للذرة، والتي نال عنها درجة الدكتوراه عام ١٩٢٦، وكان مشرفه إرنست رذرفورد . ومع نشر معادلة شرودنغر في العام نفسه، تمكن هارتري من تطبيق معرفته بالمعادلات التفاضلية والتحليل العددي على نظرية الكم الجديدة . واستنتج معادلات هارتري لتوزيع الإلكترونات في الذرة، واقترح طريقة المجال المتسق ذاتيًا لحلها. لم تُلبِّ الدوال الموجية لهذه النظرية مبدأ استبعاد باولي، الذي أثبت سلاتر أنه يتطلب دوالًا محددة. نشر ف. فوك "معادلات التبادل"، المعروفة الآن بمعادلات هارتري-فوك . وتُعد هذه المعادلات أكثر تعقيدًا من الناحية الحسابية، حتى مع الطرق الفعالة التي اقترحها هارتري لحساب مساهمات التبادل. تُعدّ معادلات هارتري-فوك اليوم ذات أهمية بالغة في مجال الكيمياء الحاسوبية ، ويتم تطبيقها وحلها عددياً ضمن معظم برامج نظرية الكثافة الوظيفية المستخدمة في حسابات البنية الإلكترونية للجزيئات وأنظمة الطور المكثف. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في عام 1929، تم تعيين هارتري في كرسي باير للرياضيات التطبيقية في جامعة مانشستر ، وانتُخب عضواً في جمعية مانشستر الأدبية والفلسفية في عام 1929. ^{[ 10 ]}

في عام 1933، زار فانيفار بوش في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، واطلع مباشرةً على محلله التفاضلي . فور عودته إلى مانشستر ، شرع في بناء محلله الخاص باستخدام قطع ميكانو . ولما رأى إمكانية استغلال أساليبه العددية بشكل أكبر باستخدام هذا الجهاز، أقنع السير روبرت ماكدوغال بتمويل جهاز أكثر متانة، والذي تم بناؤه بالتعاون مع شركة متروبوليتان-فيكرز .

كان أول تطبيق للجهاز، والذي يعكس حماس هارتري للسكك الحديدية، هو حساب جداول مواعيد سكة حديد لندن وميدلاند واسكتلندا . ^{[ 11 ]} أمضى بقية العقد في تطبيق المحلل التفاضلي لإيجاد حلول للمعادلات التفاضلية التي تنشأ في الفيزياء، بما في ذلك نظرية التحكم ونظرية الطبقة الحدية الصفائحية في ديناميكا الموائع، مقدماً مساهمات كبيرة في كل مجال من هذه المجالات.

لم يكن المحلل التفاضلي مناسبًا لحل المعادلات التي تتضمن التبادل. عندما سبقت منشورات فوك عمل هارتري في هذا المجال، حوّل هارتري أبحاثه إلى انتشار الموجات الراديوية، مما أدى إلى معادلة أبلتون-هارتري . في عام ١٩٣٥، عرض والده، ويليام هارتري، إجراء الحسابات نيابةً عنه. وسرعان ما ظهرت نتائج التبادل. أدرك دوغلاس أهمية تفاعل التكوينات ، الذي أشار إليه باسم "تراكب التكوينات". نُشرت أولى نتائج هارتري-فوك متعددة التكوينات من قِبل الأب والابن وبرثا سويرلز (التي أصبحت لاحقًا الليدي جيفريز) في عام ١٩٣٩.

بناءً على اقتراح هارتري، شرعت بيرثا سويرلز في اشتقاق معادلات مع التبادل للذرات باستخدام معادلة ديراك في عام 1935. وبنصيحة هارتري، تم الإبلاغ عن أولى الحسابات النسبية (بدون تبادل) في عام 1940 بواسطة إيه أو ويليامز، وهو طالب لدى آر بي ليندسي .

خلال الحرب العالمية الثانية، أشرف هارتري على مجموعتين حاسوبيتين. المجموعة الأولى، التابعة لوزارة التموين، وصفها جاك هاوليت ^{[ 12 ]} بأنها "ورشة عمل" لحل المعادلات التفاضلية. عند اندلاع الحرب العالمية الثانية، كان محلل المعادلات التفاضلية في جامعة مانشستر هو المحلل التفاضلي الوحيد كامل الحجم (ثمانية مُكاملات) في البلاد. وُضعت الترتيبات اللازمة لتوفير الجهاز للعمل في دعم المجهود الحربي الوطني. مع مرور الوقت، تألفت المجموعة من أربعة أعضاء ^{[ 13 ]} (جاك هاوليت، نيكولاس ر. آيرز، جيه جي إل ميشيل، دوغلاس هارتري، وفيليس لوكيت نيكولسون). عُرضت على المجموعة مسائل دون معلومات عن مصدرها، لكنها شملت التتبع التلقائي للأهداف، وانتشار الموجات الراديوية، والانفجارات تحت الماء، وتدفق الحرارة في الفولاذ، ومعادلة الانتشار التي تبيّن لاحقًا أنها تُستخدم لفصل النظائر. أما المجموعة الثانية فكانت مجموعة أبحاث المغنطرون، وتضم فيليس لوكيت نيكولسون ، وديفيد كوبلي، وأوسكار بونيمان . أُنجز هذا العمل لصالح لجنة تنسيق تطوير الصمامات، التي كانت تُعنى بتطوير الرادار. كان من الممكن استخدام محلل تفاضلي لو توفرت المزيد من أجهزة التكامل، لذا قام هارتري بتشكيل مجموعته على هيئة ثلاث وحدات معالجة مركزية (CPUs) للعمل على آلات حاسبة مكتبية ميكانيكية بالتوازي. واختار طريقة الحل التي تُعرف الآن بمحاكاة الجسيمات الكلاسيكية. ^{[ 14 ]} لم ينشر هارتري أيًا من نتائج أبحاثه حول المغنطرون في المجلات العلمية، على الرغم من كتابته العديد من التقارير السرية ذات الطابع التقني العالي خلال الحرب.

في أبريل 1944، أوصت لجنة ضمت هارتري بإنشاء قسم للرياضيات داخل المختبر الفيزيائي الوطني (NPL). وفي أكتوبر، نُفذت هذه التوصية، وكان أول هدفين لها هما دراسة إمكانية تكييف أجهزة الهاتف الآلية مع المعدات العلمية، وتطوير أجهزة حاسوب إلكترونية مناسبة للحوسبة السريعة. ويُعتقد أن بعض الأعضاء كانوا على دراية بحاسوب كولوسوس . وكان جون ر. وومرسلي ( خصم تورينج اللدود) أول مدير لهذا القسم. وفي فبراير 1945، قام بجولة استغرقت شهرين على منشآت الحوسبة في الولايات المتحدة، بما في ذلك زيارة إينياك (الذي لم يكن قد اكتمل بعد). واطلع على مسودات تقرير فون نيومان الشهير عن إيدفاك الصادر في يونيو 1945. وبعد شهرين تقريبًا، زار هارتري أيضًا إينياك، الذي لم يكن معروفًا للعامة آنذاك.

في فبراير 1946، قدّم ماكس نيومان (الذي شارك في تطوير حاسوب كولوسوس ) طلبًا إلى الجمعية الملكية للحصول على تمويل لبدء مشروع بناء حاسوب متعدد الأغراض في جامعة مانشستر . أحالت الجمعية الملكية الطلب إلى هارتري وسي جي داروين ، مدير المختبر الفيزيائي الوطني، لتقديم المشورة. أوصى هارتري بالموافقة على المنحة، لكن داروين عارضها بحجة أن حاسوب تورينج ACE في المختبر الفيزيائي الوطني سيكون كافيًا لتلبية احتياجات البلاد. إلا أن رأي هارتري حُسم في النهاية، وبدأت التطورات في مجال الحوسبة في مانشستر .

أجرى هارتري المزيد من الأبحاث في مجال أنظمة التحكم ، وشارك في التطبيقات المبكرة للحواسيب الرقمية ، حيث قدم المشورة للجيش الأمريكي بشأن استخدام حاسوب إينياك لحساب جداول المقذوفات. وفي صيف عام 1946، قام هارتري برحلته الثانية إلى إينياك لتقييم مدى ملاءمته لمجموعة واسعة من العلوم، حيث أصبح أول مدني يبرمجه. ولهذا الغرض، اختار مسألة تتعلق بتدفق سائل قابل للانضغاط فوق سطح ما، مثل الهواء فوق سطح جناح طائرة تسير بسرعة تفوق سرعة الصوت. ^{[ 15 ]}

في أواخر عام ١٩٤٥ أو أوائل عام ١٩٤٦، أطلع هارتري موريس ويلكس من جامعة كامبريدج على التطورات المقارنة في مجال الحوسبة في الولايات المتحدة التي اطلع عليها. ثم تلقى ويلكس دعوة من كلية مور للهندسة الكهربائية (التي صممت جهاز إينياك) لحضور دورة تدريبية حول الحواسيب الإلكترونية. وقبل سفره، تمكن هارتري من إطلاعه بشكل أوسع على جهاز إينياك. وعلى متن السفينة العائدة إلى الوطن، وضع ويلكس التصميم الأولي لجهاز إيدساك ، الذي كان من المقرر أن يبدأ تشغيله في مايو ١٩٤٩. عمل هارتري عن كثب مع ويلكس على تطوير استخدام الجهاز لحل مجموعة واسعة من المشكلات، والأهم من ذلك، أنه بيّن للمستخدمين من مختلف التخصصات في الجامعة كيفية استخدامه في أبحاثهم.

عاد هارتري إلى كامبريدج لتولي منصب أستاذ بلامر للفيزياء الرياضية عام ١٩٤٦. وفي أكتوبر من العام نفسه، ألقى محاضرة افتتاحية بعنوان "آلات الحساب: التطورات الحديثة والمستقبلية وتأثيرها على الفيزياء الرياضية". وصف فيها جهاز إينياك (ENIAC) والعمل الذي أنجزه هارتري عليه. حتى في عام ١٩٤٦، أي قبل عامين من أن يصبح الحوسبة الإلكترونية ذات البرمجة المخزنة واقعًا ملموسًا، أدرك هارتري الحاجة إلى استخدام البرامج الفرعية. واختتم محاضرته الافتتاحية بنظرة على إمكانيات الحواسيب، قائلاً: "...هناك، كما أعلم، العديد من المشكلات ذات الأهمية الاقتصادية والطبية والاجتماعية التي تنتظر الدراسة، والتي لا يمكن تناولها حاليًا بسبب العبء الهائل للحوسبة المطلوب".

في السابع من نوفمبر عام ١٩٤٦، نقلت صحيفة "ديلي تلغراف" ، بعد إجراء مقابلة مع هارتري، عنه قوله: "إن آثار هذه الآلة هائلة لدرجة أننا لا نستطيع تصور كيف ستؤثر على حضارتنا. لدينا هنا شيء يجعل أحد مجالات النشاط البشري أسرع بألف مرة. في مجال النقل، فإن ما يعادل جهاز ACE هو القدرة على السفر من لندن إلى كامبريدج ... في خمس ثوانٍ فقط كأمر معتاد. إنه أمر يكاد يكون لا يُصدق." ^{[ ١٦ ]}

بدأ إسهام هارتري الرابع والأخير في مجال الحوسبة البريطانية في أوائل عام ١٩٤٧، عندما سمعت شركة جيه ليونز وشركاه لخدمات الطعام في لندن عن جهاز إينياك، فأرسلت فريقًا صغيرًا في صيف ذلك العام لدراسة ما يجري في الولايات المتحدة، لاعتقادهم أن هذه الحواسيب الجديدة قد تُساعد في الكم الهائل من الأعمال الإدارية والمحاسبية التي كانت الشركة تُنجزها. التقى الفريق بالعقيد هيرمان غولدستاين في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، الذي راسل هارتري مُخبرًا إياه ببحثهم. فور تلقيه الرسالة، راسل هارتري ممثلين عن شركة ليونز ودعاهم إلى كامبريدج لعقد اجتماع معه ومع ويلكس. أدى ذلك إلى تطوير نسخة تجارية من جهاز إي دي إس إيه سي الذي طورته شركة ليونز، وأُطلق عليها اسم ليو ، وهو أول حاسوب يُستخدم في التطبيقات التجارية. بعد وفاة هارتري، أُعيد تسمية مقر شركة ليو للحواسيب إلى منزل هارتري. يُوضح هذا مدى تقدير شركة ليونز لإسهام هارتري في مشروعهم الجديد.

كانت آخر إسهامات هارتري الشهيرة في مجال الحوسبة تقديرًا في عام 1950 للطلب المحتمل على أجهزة الكمبيوتر، والذي كان أقل بكثير مما اتضح لاحقًا: "لدينا جهاز كمبيوتر هنا في كامبريدج، وآخر في مانشستر، وثالث في المختبر الفيزيائي الوطني. أعتقد أنه ينبغي أن يكون هناك جهاز واحد في اسكتلندا، ولكن هذا كل شيء تقريبًا." كانت مثل هذه التقديرات المنخفضة لعدد أجهزة الكمبيوتر المطلوبة شائعة في ذلك الوقت. ^{[ 17 ]}

أصبحت شارلوت فرويز فيشر ، آخر طالبة دكتوراه لهارتري في كامبريدج، معروفة بتطوير وتنفيذ نهج هارتري-فوك متعدد التكوينات ( MCHF ) لحسابات التركيب الذري وتوقعها النظري بشأن وجود أيون الكالسيوم السالب .

خارج نطاق حياته المهنية، كان دوغلاس هارتري شغوفًا بالموسيقى، إذ كان يمتلك معرفة واسعة بالموسيقى الأوركسترالية وموسيقى الحجرة. كان يعزف على البيانو ويقود أوركسترا هواة. ولعل هذا الشغف بالموسيقى هو ما جمعه بزوجته إيلين تشارلتون، التي كانت عازفة بيانو بارعة. أثمر زواجهما ولدين، أوليفر وجون ريتشارد، وابنة واحدة، مارغريت. ^{[ 18 ]} توفي إثر سكتة قلبية في مستشفى أدنبروك ، كامبريدج، في 12 فبراير 1958. ^{[ 19 ]}

• زميل الجمعية الملكية (1932) ^{[ 1 ]}
• سُميت وحدة هارتري للطاقة نسبةً إليه .
• مركز هارتري سمي تيمناً به.

• هارتري، د. ر. (1949). أدوات وآلات الحساب . أوربانا: مطبعة جامعة إلينوي .(أيضًا (1950) مطبعة جامعة كامبريدج )
• هارتري، د. ر. (1952). التحليل العددي . مطبعة جامعة أكسفورد .
• هارتري، د. ر. (1957). حساب البنى الذرية . نيويورك: وايلي وأولاده .
• هارتري، د. ر. (1984). آلات الحساب: التطورات الحديثة والمستقبلية وتأثيرها على الفيزياء الرياضية وأدوات وآلات الحساب . سلسلة إعادة طبع معهد تشارلز باباج لتاريخ الحوسبة. المجلد  6. كامبريدج، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا .

• فرويز فيشر، شارلوت (2003). دوغلاس راينر هارتري: حياته في العلوم والحوسبة . سنغافورة: وورلد ساينتيفيك.
• محلل مانشستر التفاضلي