Lewis Fry Richardson -Lewis Fry Richardson

A többi Lewis Richardson nevű személyről lásd: Lewis Richardson (egyértelműsítés) .

Lewis Fry Richardson
Lewis Fry Richardson.png
Lewis Fry Richardson D.Sc., FRS
Született ( 1881-10-11 )1881. október 11
Newcastle upon Tyne , Anglia, Nagy-Britannia és Írország Egyesült Királysága
Meghalt 1953. szeptember 30. (1953-09-30)(71 évesen)
Kilmun , Argyll és Bute , Skócia, Egyesült Királyság
Polgárság Egyesült Királyság
alma Mater Bootham School
Durham College of Science
King's College, Cambridge
Ismert Fraktálok
Konfliktus modellezés
Richardson extrapoláció
Díjak A Royal Society tagja
Tudományos karrier
Mezők matematikus
fizikus
meteorológus
pszichológus
Intézmények National Physical Laboratory
National Peat Industries
University College Aberystwyth
Meteorological Office
Paisley Technical College
Befolyások Karl Pearson
G. FC Searle
J. J. Thomson
Befolyásolt Benoit Mandelbrot

Lewis Fry Richardson , FRS (1881. október 11. – 1953. szeptember 30.) angol matematikus , fizikus , meteorológus , pszichológus és pacifista , aki úttörő szerepet játszott az időjárás-előrejelzés modern matematikai technikáiban, és hasonló technikák alkalmazásában a háborúk okainak és hogyan tanulmányozásában. megelőzni őket. A fraktálokkal és a módosított Richardson-iteráció néven ismert lineáris egyenletrendszer megoldási módszerével kapcsolatos úttörő munkáiról is ismert .

Korai élet

Lewis Fry Richardson volt a legfiatalabb Catherine Fry (1838–1919) és David Richardson (1835–1913) hét gyermeke közül. Egy virágzó kvéker család volt , David Richardson sikeres cserző- és bőrgyártó üzletet működtetett.

12 évesen egy Quaker bentlakásos iskolába , a yorki Bootham Schoolba küldték , ahol természettudományos oktatásban részesült, ami felkeltette a természetrajz iránti aktív érdeklődést . 1898-ban a Durham College of Science- be (a Durham Egyetem egyik főiskolája ) folytatta tanulmányait, ahol matematikai fizika , kémia , botanika és zoológia tantárgyakat vett fel . 1900-ban a Cambridge-i King's College-ban folytatta tanulmányait , ahol (többek között) JJ Thomson fizikát tanított neki a természettudományi tripókban, és 1903-ban első osztályú diplomát szerzett. 47 évesen matematikai pszichológiából doktorált a Londoni Egyetem .

Karrier

Richardson munkássága eklektikus érdekeit képviselte:

1926-ban a Royal Society Fellowship tagjává választották

Pacifizmus

Richardson kvéker meggyőződése egy lelkes pacifizmust vont maga után , amely felmentette őt a katonai szolgálat alól az első világháború alatt, mint lelkiismereti okokból megtagadó személyt , bár ez később kizárta az akadémiai beosztásból. Richardson 1916 és 1919 között a 16. francia gyaloghadosztályhoz tartozó Barátok mentőegységnél dolgozott. A háború után újra csatlakozott a Meteorológiai Hivatalhoz, de lelkiismereti okok miatt kénytelen volt lemondani, amikor azt 1920-ban a légügyi minisztériumban egyesítették. Ezt követően az akadémiai világ peremén folytatta karrierjét, majd 1940-ben nyugdíjba vonult, hogy saját elképzeléseit kutassa. . Pacifizmusa közvetlen következményekkel járt kutatási érdeklődésére. Thomas Körner szerint az a felfedezés, hogy meteorológiai munkája értékes volt a vegyifegyver-tervezők számára, arra késztette, hogy felhagyjon minden erőfeszítésével ezen a területen, és megsemmisítse azokat az eredményeket, amelyeket még nem publikált.

Időjárás előrejelzés

Richardsont a meteorológia iránti érdeklődése késztette arra, hogy javaslatot tegyen egy sémára a differenciálegyenletek megoldásával történő időjárás-előrejelzéshez , a manapság használt módszert, bár amikor 1922-ben megjelentette a Weather Prediction by Numerical Process című művét , megfelelő gyors számítástechnika nem állt rendelkezésre. Elképzeléseit így fogalmazta meg:

"Ennyi kemény okoskodás után lehet-e fantáziával játszani? Képzelj el egy nagy termet, mint egy színházat, azzal a különbséggel, hogy a körök és a galériák pontosan körbejárják azt a teret, amelyet általában a színpad foglal el. Ennek a kamrának a falai úgy vannak festve, hogy egy A mennyezet az északi sarki régiókat ábrázolja, a galériában Anglia, a felső körben a trópusok, a ruhakörön Ausztrália és a gödörben az Antarktisz.

Számtalan számítógép [számító ember] dolgozik a térkép azon részének időjárásán, ahol mindegyik található, de mindegyik számítógép csak egy egyenletre vagy egy egyenlet egy részére figyel. Az egyes régiók munkáját magasabb rangú tisztségviselő koordinálja. Számos kis "éjjel" jeleníti meg a pillanatnyi értékeket, hogy a szomszédos számítógépek le tudják olvasni azokat. Így minden egyes szám három szomszédos zónában jelenik meg, hogy fenntartsák a kommunikációt a térképen észak és dél felé.

A gödör padlójából egy magas oszlop emelkedik ki a csarnok magasságának feléig. A tetején egy nagy szószék van. Ebben ül az egész színházért felelős ember; több asszisztens és hírnök veszi körül. Feladatai közé tartozik, hogy a világ minden részén egyenletes haladási sebességet tartson fenn. Ebből a szempontból olyan, mint egy zenekar karmestere, amelyben a hangszerek csúszdák és számológépek. Ám a pálca lengetése helyett rózsás fénysugarat fordít minden olyan vidékre, amely a többi előtt fut, és kék fénysugarat azokra, akik hátul vannak.

A központi szószéken négy magas rangú hivatalnok gyűjti össze a leendő időjárást olyan gyorsan, ahogy számítják, és szállítják pneumatikus hordozóval egy csendes helyiségbe. Ott kódolják, és felhívják a rádióadó állomásra. A hírnökök halomban hordják le a használt számítástechnikai nyomtatványokat a pincében lévő raktárba.

A szomszédos épületben van egy kutatórészleg, ahol fejlesztéseket találnak ki. De sok kísérletezés folyik kis léptékben, mielőtt bármiféle változtatást hajtanak végre a számítástechnika komplex rutinjában. Egy pincében egy rajongó örvényeket figyel meg egy hatalmas forgótál folyékony bélésében, de eddig a számtan bizonyult a jobbnak. Egy másik épületben található az összes szokásos pénzügyi, levelezési és adminisztratív iroda. Kint játszóterek, házak, hegyek és tavak vannak, mert úgy gondolták, hogy akik kiszámítják az időjárást, annak szabadon kell lélegeznie." (Richardson 1922)

Amikor Richardson 1950-ben hírt kapott az első modern számítógép, az ENIAC által készített első időjárás-előrejelzésről, azt válaszolta, hogy az eredmények "hatalmas tudományos előrelépést jelentenek". A 24 órás előrejelzés első számításai az ENIAC-nak csaknem 24 órát vett igénybe.

Érdekelte a légköri turbulencia is , és számos földi kísérletet végzett. Róla nevezték el a Richardson-számot , a turbulenciaelmélet dimenzió nélküli paraméterét . Híresen foglalta össze a turbulenciát rímes versben az Időjárás előrejelzése numerikus eljárással (66. o.):

A nagy örvényeknek vannak kis örvényei, amelyek a sebességükből táplálkoznak,

és a kis örvényeknél kisebb örvények és így tovább a viszkozitásig.

[A színdarab Augustus De Morgan Siphonaptera című versének két sorára : "A nagy bolhák hátán kis bolhák vannak, hogy megharapják őket, / És a kis bolháknak kisebbek a bolhák, és így a végtelenségig ." ( A paradoxonok költségvetése , 1915). De Morgan sorai maguk is átfogalmazzák Jonathan Swift 1733-as „On Poetry: A Rapsody” című szatirikus költeményének két sorát.

Richardson kísérlete a számszerű előrejelzésre

Richardson egyik legünnepeltebb eredménye az a visszamenőleges kísérlete, hogy közvetlen számítással egyetlen napra – 1910. május 20-ra – előrejelezze az időjárást. Abban az időben a meteorológusok főként úgy végeztek előrejelzéseket, hogy hasonló időjárási mintákat kerestek a feljegyzésekből, majd előre extrapoláltak. Richardson megpróbálta a légkör fő jellemzőinek matematikai modelljét használni, és egy adott időpontban (7 órakor) vett adatok alapján ab initio hat órával később kiszámítani az időjárást . Ahogy Peter Lynch meteorológus világossá teszi, Richardson előrejelzése drámaian megbukott, hatalmas, 145 hektopascal (4,3 inHg) nyomásemelkedést jósolt hat órán keresztül, amikor a nyomás többé-kevésbé statikus volt. A Lynch részletes elemzése azonban kimutatta, hogy az ok az volt, hogy nem alkalmaztak simító technikákat az adatokra, amelyek kizárják a nem fizikai nyomásemelkedést. Ha ezeket alkalmazzák, kiderül, hogy Richardson előrejelzése lényegében pontos – ez figyelemre méltó eredmény, tekintve, hogy a számításokat kézzel végezték, miközben Richardson a Quaker mentőegységnél szolgált Észak-Franciaországban.

A háború matematikai elemzése

Richardson matematikai képességeit is alkalmazta pacifista elvei szolgálatában, különösen a nemzetközi konfliktusok alapjainak megértésében. Emiatt manapság őt tekintik a konfliktusok tudományos elemzésének kezdeményezőjének, vagy társ-kezdeményezőjének ( Quincy Wrighttal és Pitirim Sorokinnal, valamint másokkal, mint Kenneth Boulding , Anatol Rapaport és Adam Curle ) – ez a kvantitatív interdiszciplináris téma. és matematikai társadalomtudomány, amely a háború okainak és a békefeltételek szisztematikus vizsgálatának szentelte magát. Az időjáráshoz hasonlóan a háborút is elsősorban differenciálegyenletekkel és valószínűségszámítással elemezte. Két nemzet fegyverzetét figyelembe véve Richardson egy idealizált egyenletrendszert állított fel, amely szerint egy nemzet felfegyverzésének üteme egyenesen arányos a rivális fegyvereinek mennyiségével és a riválissal szemben érzett sérelmekkel, és negatívan arányos a riválissal szembeni sérelmekkel. fegyvermennyiség már megvan magának. Ennek az egyenletrendszernek a megoldása lehetővé teszi éles következtetések levonását a nemzetek között előforduló különféle hipotetikus állapotok természetére, stabilitására vagy instabilitására vonatkozóan.

Ő hozta létre azt az elméletet is, amely szerint a két nemzet közötti háborús hajlandóság a közös határ hosszának függvénye. Az Arms and Insecurity (1949) és a Statistics of Deadly Quarrels (1960) pedig a háború okait próbálta statisztikailag elemezni. Az általa értékelt tényezők között szerepelt a gazdaság, a nyelv és a vallás. Utóbbi előszavában ezt írta: "Nagyon sok ragyogó, szellemes politikai vita folyik a világon, amely nem vezet szilárd meggyőződéshez. Célom más volt: nevezetesen, hogy néhány fogalmat kvantitatív technikákkal megvizsgáljak abban a reményben, hogy megbízható választ kapjunk."

A Statistics of Deadly Quarrels című könyvében Richardson gyakorlatilag minden háborúról közölt adatokat 1815 és 1945 között. Ennek eredményeként egy 10-es logaritmikus skálát feltételezett a konfliktusokra. Más szóval, sokkal több a kis verekedés, amelyben csak néhány ember hal meg, mint a nagy harcok, amelyekben sok ember hal meg. Bár nem lehet előre megjósolni a konfliktusok méretét – sőt, nem lehet felső határt adni a sorozatnak –, összességében Poisson-eloszlást alkotnak . Kisebb léptékben ugyanezt a mintát mutatta a chicagói és sanghaji csoportos gyilkosságok esetében. Mások megjegyezték, hogy hasonló statisztikai minták gyakran előfordulnak, akár tervezettek (lottók, sokkal több kis nyeremény, mint nagy nyeremény), vagy természetes szerveződés (több kisvárosban van élelmiszerbolt, mint nagyvárosban szupermarkettel).

A partvonalak és a határok hosszának kutatása

Főcikk: Tengerparti paradoxon

Richardson úgy döntött, hogy összefüggést keres két ország háborúba lépésének valószínűsége és közös határuk hossza között. Az adatgyűjtés során azonban azt tapasztalta, hogy a nemzetközi határok különböző közzétett hosszai között jelentős eltérések mutatkoznak. Például a Spanyolország és Portugália közötti távolság 987 vagy 1214 km, Hollandia és Belgium között pedig 380 vagy 449 km.

Ezeknek az ellentmondásoknak az oka a „ partvonal paradoxona ”. Tegyük fel, hogy Nagy-Britannia partjait egy 200 km-es vonalzóval mérik, amely meghatározza, hogy a vonalzó mindkét végének érintenie kell a partot. Most vágja ketté a vonalzót és ismételje meg a mérést, majd ismételje meg:

Britain-fractal-coastline-200km.png Britain-fractal-coastline-100km.png Britain-fractal-coastline-50km.png

Minél kisebb a vonalzó, annál hosszabb a partvonal. Feltételezhető, hogy ezek az értékek egy véges számhoz konvergálnak, amely a partvonal valódi hosszát jelenti. Richardson azonban bebizonyította, hogy ez nem így van: a partvonalak és más természeti jellemzők mért hossza korlátlanul növekszik, ahogy a mértékegységet kisebbítik. Ezt manapság Richardson-effektusnak nevezik .

Akkoriban a tudományos közösség figyelmen kívül hagyta Richardson kutatásait. Ma a fraktálok modern tanulmányozásának kezdeti elemének tekintik . Richardson kutatását Benoît Mandelbrot matematikus idézte 1967- ben, How long Is the Coast of Britain? Richardson azonosított egy értéket (1 és 2 között), amely leírná a változásokat (növekvő mérési részletekkel) a megfigyelt komplexitásban egy adott partvonal esetében; ez az érték mintául szolgált a fraktáldimenzió fogalmához .

Szabadalmak jéghegyek észlelésére

1912 áprilisában, nem sokkal a Titanic hajó elvesztése után Richardson szabadalmat jegyeztetett be a jéghegyek levegőben történő akusztikus visszhangosítással történő észlelésére. Egy hónappal később hasonló szabadalmat jegyeztetett be a víz akusztikus visszhangosítására, előrevetítve, hogy Paul Langevin és Robert Boyle hat évvel később feltalálják a szonárt .

A populáris kultúrában

Richardson kitalált változata, Wallace Ryman, kulcsszerepet játszik Giles Foden Turbulencia című regényében .

Richardsont említik John Brunner Stand on Zanzibar című művében, ahol a halálos veszekedések statisztikái arra hivatkoznak, hogy a háborúk elkerülhetetlenek.

Richardson munkásságát Poul Anderson spekulatív fikciós regénye, a Kings Who Die is megemlíti .

Richardsont Charlie Kaufman Antkind című 2020-as regénye említi .

Richardson híres idézete: "A nagy örvényeknek vannak kis örvényei, amelyek a sebességükből táplálkoznak; a kis örvények kisebb örvényekkel és így tovább a viszkozitásig" szerepel a "Dots & Lines" című dalban, amelyet Lupe Fiasco szövegíró/rapper írt és adott elő .

Magánélet

1909-ben feleségül vette Dorothy Garnettet (1885–1956), William Garnett matematikus és fizikus lányát . Vércsoport-összeférhetetlenség miatt nem születhettek gyermekeik, de 1920 és 1927 között örökbe fogadtak két fiút és egy lányt.

Richardson unokaöccse, Ralph Richardson neves színész lett. Dékunokaöccse (felesége, Dorothy legidősebb bátyja, (James Clerk) Maxwell Garnett , CBE révén), Julian Hunt meteorológus lett, majd 1992 és 1997 között a Brit Meteorológiai Hivatal főigazgatója és vezérigazgatója lett. unokahúga – azonos származású – Virginia Bottomley egykori politikus , most Bottomley bárónő.

Örökség

1997 óta a Lewis Fry Richardson-érmet a European Geosciences Union ítéli oda a "nemlineáris geofizikához általában véve kivételes hozzájárulásokért" (az EGS 2003-ig, az EGU 2004-ig).

A nyertesek a következők lettek:

A Lancaster Egyetemen 1959 óta működik a Richardson Institute nevű béketanulmányi központ, amely interdiszciplináris kutatásokat végez a békével és a konfliktusokkal kapcsolatban Lewis Fry Richardson szellemében.

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Külső linkek