Lewis Fry Richardson

Lewis Fry Richardson , FRS (11 ottobre 1881-30 settembre 1953) era un matematico, fisico, meteorologo, psicologo e pacifista inglese che ha aperto la strada a moderne tecniche matematiche di previsioni meteorologiche e all'applicazione di tecniche simili per studiare le cause delle guerre e come prevenili. È anche noto per il suo lavoro pionieristico riguardante i frattali e un metodo per risolvere un sistema di equazioni lineari noto come iterazione di Richardson modificata.

Primi anni di vita

Lewis Fry Richardson era il più giovane di sette figli nati da Catherine Fry (1838-1919) e David Richardson (1835-1913). Erano una prospera famiglia quacchera, David Richardson che gestiva con successo un'attività di concia e produzione di pelletteria.

All'età di 12 anni fu mandato in un collegio quacchero, Bootham School di York, dove ricevette un'istruzione scientifica, che stimolò un interesse attivo per la storia naturale. Nel 1898 andò al Durham College of Science (un college della Durham University) dove seguì corsi di fisica matematica, chimica, botanica e zoologia. Ha proseguito nel 1900 al King's College di Cambridge, dove gli è stato insegnato fisica nei tripos di scienze naturali da (tra gli altri) JJ Thomson e si è laureato in prima classe nel 1903. All'età di 47 anni ha ricevuto un dottorato in psicologia matematica dal Università di Londra

carriera

La vita lavorativa di Richardson rappresentava i suoi interessi eclettici:

• National Physical Laboratory (1903–1904).
• University College Aberystwyth (1905–1906).
• chimico, National Peat Industries (1906–1907).
• National Physical Laboratory (1907–1909).
• direttore del laboratorio fisico e chimico, Sunbeam Lamp Company (1909–1912).
• Manchester College of Technology (1912–1913).
• Ufficio meteorologico - come sovrintendente dell'Osservatorio di Eskdalemuir (1913–1916).
• Friends Ambulance Unit in France (1916-1919).
• Ufficio meteorologico di Benson, Oxfordshire (1919-1920).
• Capo del dipartimento di fisica del Westminster Training College (1920-1929).
• Preside, Paisley Technical College, ora parte dell'Università della Scozia occidentale (1929-1940).

Nel 1926 fu eletto membro della Royal Society

Pacifismo

Le convinzioni quacchere di Richardson comportarono un ardente pacifismo che lo esentò dal servizio militare durante la prima guerra mondiale come obiettore di coscienza, anche se questo lo squalificò in seguito dal ricoprire un incarico accademico. Richardson lavorò dal 1916 al 1919 per l'Unità di Ambulanza degli Amici collegata alla sedicesima divisione di fanteria francese. Dopo la guerra, si riunì all'Ufficio meteorologico ma fu costretto a dimettersi per motivi di coscienza quando fu riunito nel Ministero dell'Aeronautica nel 1920. Successivamente ha intrapreso una carriera ai margini del mondo accademico prima di ritirarsi nel 1940 per ricercare le proprie idee . Il suo pacifismo ebbe conseguenze dirette sui suoi interessi di ricerca. Secondo Thomas Körner, la scoperta che il suo lavoro meteorologico era prezioso per i progettisti di armi chimiche lo ha portato ad abbandonare tutti i suoi sforzi in questo campo e distruggere le scoperte che non aveva ancora pubblicato.

Previsioni del tempo

L'interesse di Richardson per la meteorologia lo portò a proporre uno schema per le previsioni meteorologiche mediante la soluzione di equazioni differenziali, il metodo utilizzato al giorno d'oggi, anche se quando pubblicò Weather Prediction by Numerical Process nel 1922, non era disponibile un'adeguata elaborazione veloce. Descrisse così le sue idee (i suoi "computer" sono esseri umani):

"Dopo così tanto ragionamento difficile, si può giocare con una fantasia? Immagina una grande sala come un teatro, tranne per il fatto che i cerchi e le gallerie girano proprio attraverso lo spazio normalmente occupato dal palco. Le pareti di questa camera sono dipinte per formare un mappa del globo Il soffitto rappresenta le regioni polari settentrionali, l'Inghilterra è nella galleria, i tropici nel cerchio superiore, l'Australia nel cerchio degli abiti e l'Antartico nella fossa.

Una miriade di computer sono al lavoro sul tempo della parte della mappa in cui si trova ciascuno, ma ogni computer si occupa solo di un'equazione o parte di un'equazione. Il lavoro di ciascuna regione è coordinato da un funzionario di rango superiore. Numerosi piccoli "segni notturni" mostrano i valori istantanei in modo che i computer vicini possano leggerli. Ogni numero viene quindi visualizzato in tre zone adiacenti in modo da mantenere la comunicazione verso nord e sud sulla mappa.

Dal pavimento della fossa un alto pilastro sale a metà altezza della sala. Porta un grande pulpito sulla cima. In questo si trova l'uomo responsabile di tutto il teatro; è circondato da numerosi assistenti e messaggeri. Uno dei suoi doveri è mantenere una velocità uniforme di progresso in tutte le parti del globo. Sotto questo aspetto è come il direttore di un'orchestra in cui gli strumenti sono regole di scorrimento e macchine calcolatrici. Ma invece di agitare un bastone, gira un raggio di luce rosata su qualsiasi regione che corre davanti agli altri, e un raggio di luce blu su coloro che sono in ritardo.

Quattro impiegati senior nel pulpito centrale stanno raccogliendo il tempo futuro con la stessa velocità con cui è stato calcolato, e lo spediscono tramite corriere pneumatico in una stanza silenziosa. Lì sarà codificato e telefonato alla stazione di trasmissione radio. I messaggeri portano pile di moduli informatici usati in un magazzino in cantina.

In un edificio vicino c'è un dipartimento di ricerca, dove inventano miglioramenti. Ma ci sono molti esperimenti su piccola scala prima di apportare qualsiasi cambiamento alla complessa routine della sala informatica. In un seminterrato un appassionato osserva i vortici nel rivestimento liquido di un'enorme ciotola rotante, ma finora l'aritmetica si rivela il modo migliore. In un altro edificio ci sono tutti i soliti uffici finanziari, di corrispondenza e amministrativi. All'esterno ci sono campi da gioco, case, montagne e laghi, perché si pensava che coloro che calcolano il tempo lo respirassero liberamente. "(Richardson 1922)

(La parola "computer" è usata qui nel suo senso originale - persone che hanno fatto calcoli, non macchine. "Calcolatrice" si riferiva anche alle persone in questo momento.)

Quando la notizia delle prime previsioni meteorologiche del primo computer moderno, ENIAC, fu ricevuta da Richardson nel 1950, egli rispose che i risultati furono "un enorme progresso scientifico". I primi calcoli per una previsione a 24 ore impiegarono ENIAC a quasi 24 ore per essere prodotti.

Era anche interessato alla turbolenza atmosferica ed eseguì molti esperimenti terrestri. Il numero di Richardson, un parametro senza dimensioni della teoria della turbolenza, prende il nome da lui. Ha riassunto notoriamente la turbolenza in versi in rima in Weather Prediction by Numerical Process (p 66):

I grandi vortici hanno piccoli vortici che si nutrono della loro velocità,

.

Il tentativo di Richardson di previsioni numeriche

Uno dei risultati più celebri di Richardson è il suo tentativo retroattivo di prevedere il tempo in un solo giorno, il 20 maggio 1910, mediante calcolo diretto. A quel tempo, i meteorologi eseguivano previsioni principalmente cercando modelli meteorologici simili da record passati e poi estrapolando in avanti. Richardson ha tentato di utilizzare un modello matematico delle principali caratteristiche dell'atmosfera e di utilizzare i dati acquisiti in un momento specifico (7:00) per calcolare il tempo sei ore dopo ab initio. Come chiarisce il meteorologo Peter Lynch, le previsioni di Richardson sono fallite drammaticamente, prevedendo un enorme aumento della pressione di 145 ettopascal (4,3 inHg) nell'arco di sei ore quando la pressione era effettivamente più o meno statica. Tuttavia, l'analisi dettagliata di Lynch ha dimostrato che la causa è stata la mancata applicazione delle tecniche di smoothing ai dati, che escludono picchi di pressione non fisici. Quando vengono applicati, le previsioni di Richardson si rivelano sostanzialmente accurate: un risultato notevole considerando i calcoli fatti a mano e mentre Richardson prestava servizio con l'ambulanza Quaker nel nord della Francia.

Analisi matematica della guerra

Richardson ha anche applicato le sue abilità matematiche al servizio dei suoi principi pacifisti, in particolare nella comprensione delle basi del conflitto internazionale. Per questo motivo, ora è considerato l'iniziatore o il co-iniziatore (con Quincy Wright e Pitirim Sorokin e altri come Kenneth Boulding, Anatol Rapaport e Adam Curle), dell'analisi scientifica del conflitto - un argomento interdisciplinare di quantità e scienze sociali matematiche dedicate alla ricerca sistematica delle cause della guerra e delle condizioni di pace. Come aveva fatto con il tempo, ha analizzato la guerra usando principalmente equazioni differenziali e teoria della probabilità. Considerando l'armamento di due nazioni, Richardson postulò un sistema idealizzato di equazioni in base al quale il tasso di accumulo di armamenti di una nazione è direttamente proporzionale alla quantità di armi che ha il suo rivale e anche alle lamentele sentite verso il rivale e negativamente proporzionale alla quantità di armi che ha già se stessa. La soluzione di questo sistema di equazioni consente di trarre conclusioni approfondite riguardo alla natura e alla stabilità o instabilità di varie ipotetiche condizioni che potrebbero essere ottenute tra le nazioni.

Ha anche originato la teoria secondo cui la propensione alla guerra tra due nazioni era una funzione della lunghezza del loro confine comune. E in Arms and Insecurity (1949) e Statistics of Deadly Quarrels (1960), ha cercato di analizzare statisticamente le cause della guerra. I fattori che ha valutato includevano economia, lingua e religione. Nella prefazione di quest'ultimo, ha scritto: "Esiste nel mondo una discussione politica brillante e arguta che non porta a convinzioni fisse. Il mio obiettivo è stato diverso: vale a dire esaminare alcune nozioni con tecniche quantitative nella speranza di raggiungere una risposta affidabile ".

In Statistics of Deadly Quarrels Richardson presentò dati su praticamente ogni guerra dal 1815 al 1945. Di conseguenza, ipotizzò una scala logaritmica di base 10 per i conflitti. In altre parole, ci sono molte più piccole lotte, in cui muoiono solo poche persone, di quelle grandi che uccidono molti. Sebbene non sia possibile prevedere in anticipo le dimensioni di nessun conflitto, anzi, è impossibile dare un limite superiore alla serie, nel complesso formano una distribuzione di Poisson. Su scala minore ha mostrato lo stesso schema per gli omicidi di gang a Chicago e Shanghai. Altri hanno notato che schemi statistici simili si verificano frequentemente, sia pianificati (lotterie, con molti più piccoli guadagni che grandi vincite), o per organizzazione naturale (ci sono più piccole città con negozi di alimentari che grandi città con supermercati).

Ricerca sulla lunghezza delle coste e dei confini

Richardson decise di cercare una relazione tra la probabilità che due paesi entrassero in guerra e la lunghezza del loro confine comune. Tuttavia, durante la raccolta dei dati, ha scoperto che vi era una notevole variazione nelle varie lunghezze pubblicate dei confini internazionali. Ad esempio, quello tra Spagna e Portogallo è stato variamente indicato come 987 o 1214 km e quello tra Paesi Bassi e Belgio come 380 o 449 km.

La ragione di queste incoerenze è il "paradosso costiero". Supponiamo che la costa della Gran Bretagna sia misurata usando un righello di 200 km, specificando che entrambe le estremità del righello devono toccare la costa. Ora taglia il righello a metà e ripeti la misurazione, quindi ripeti:

Si noti che più piccolo è il sovrano, più lunga è la costa risultante. Si potrebbe supporre che questi valori convergano in un numero finito che rappresenta la vera lunghezza della costa. Tuttavia, Richardson ha dimostrato che non è così: la lunghezza misurata delle coste e altre caratteristiche naturali aumenta senza limiti man mano che l'unità di misura viene ridotta. Oggi è noto come l' effetto Richardson .

A quel tempo, la ricerca scientifica di Richardson fu ignorata dalla comunità scientifica. Oggi è considerato un elemento dell'inizio del moderno studio dei frattali. La ricerca di Richardson è stata citata dal matematico Benoît Mandelbrot nel suo articolo del 1967 Quanto dura la costa della Gran Bretagna? Richardson ha identificato un valore (tra 1 e 2) che descriverebbe i cambiamenti (con crescente dettaglio delle misurazioni) nella complessità osservata per una particolare linea costiera; questo valore è servito da modello per il concetto di dimensione frattale.

Brevetti per il rilevamento di iceberg

Nell'aprile del 1912, subito dopo la perdita della nave Titanic , Richardson registrò un brevetto per il rilevamento dell'iceberg usando l'ecolocalizzazione acustica in aria. Un mese dopo registrò un brevetto simile per l'ecolocalizzazione ecologica in acqua, anticipando l'invenzione del sonar di Paul Langevin e Robert Boyle 6 anni dopo.

Nella cultura popolare

Una versione immaginaria di Richardson, di nome Wallace Ryman, svolge un ruolo chiave nel romanzo Turbulence di Giles Foden.

Richardson è menzionato nel lavoro di John Brunner, Stand on Zanzibar, dove Statistics of Deadly Quarrels è usato come argomento secondo cui le guerre sono inevitabili.

Il lavoro di Richardson è anche menzionato nel romanzo speculativo di narrativa di Poul Anderson, Kings Who Die .

Vita privata

Nel 1909 sposò Dorothy Garnett (1885-1956), figlia del matematico e fisico William Garnett. Non furono in grado di avere figli a causa di un'incompatibilità dei gruppi sanguigni, ma adottarono due figli e una figlia tra il 1920 e il 1927.

Il nipote di Richardson, Ralph Richardson, divenne un noto attore. Il suo pronipote (attraverso il fratello maggiore di sua moglie Dorothy, (James Clerk) Maxwell Garnett, CBE), Julian Hunt, divenne un meteorologo e direttore generale e direttore generale del British Meteorological Office dal 1992 al 1997. Un grande- nipote della stessa linea di discendenza è la politica Virginia Bottomley.

eredità

Dal 1997, la Lewis Fry Richardson Medal è stata premiata dall'Unione Europea delle Geoscienze per "contributi eccezionali alla geofisica non lineare in generale" (da EGS fino al 2003 e da EGU dal 2004).

I vincitori sono stati:

• 2015: Daniel Schertzer
• 2014: Olivier Talagrand
• 2013: Jürgen Kurths
• 2012: Harry Swinney
• 2011: Catherine Nicolis
• 2010: Klaus Fraedrich
• 2009: Stéphan Fauve
• 2008: Akiva Yaglom
• 2007: Ulrich Schumann
• 2006: Roberto Benzi
• 2005: Henk A. Dijkstra
• 2004: Michael Ghil
• 2003: Uriel Frisch
• 2002: FH Busse
• 2001: Julian Hunt
• 2000: Benoit Mandelbrot
• 1999: Raymond Hide
• 1998: Vladimir Keilis-Borok

Dal 1959, esiste un centro per gli studi sulla pace alla Lancaster University chiamato Richardson Institute che svolge ricerche interdisciplinari sulla pace e sui conflitti nello spirito di Lewis Fry Richardson.