Введение
Американский физик и научный педагог Дэвид Орлин Хестенес (родился 21 мая 1933 года) — теоретический физик и специалист в области научного образования. Он наиболее известен как главный разработчик геометрической алгебры как единого языка математики и физики, а также как основатель методики Modelling Instruction — научно обоснованной программы реформирования образования в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM) для учащихся K–12. Более 30 лет он работал в Департаменте физики и астрономии Университета штата Аризона (ASU), где вышел на пенсию в звании профессора-исследователя и в настоящее время имеет статус профессора-эмерита.
David Orlin Hestenes (born May 21, 1933) is a theoretical physicist and science educator. He is best known as chief architect of geometric algebra as a unified language for mathematics and physics, and as founder of Modelling Instruction, a research based program to reform K–12 Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) education. For more than 30 years, he was employed in the Department of Physics and Astronomy of Arizona State University (ASU), where he retired with the rank of research professor and is now emeritus.
Образование и докторская степень
Дэвид Орлин Хестенес (старший сын математика Магнуса Хестенеса) родился в 1933 году в Чикаго, штат Иллинойс. Начав обучение в колледже в качестве студента, готовящегося к медицинской карьере, в UCLA с 1950 по 1952 год, он окончил Тихоокеанский лютеранский университет в 1954 году со степенями по философии и риторике. После службы в армии США с 1954 по 1956 год он поступил в UCLA в качестве неопределённого аспиранта, завершил магистратуру по физике в 1958 году и получил университетскую стипендию. Его научным руководителем в UCLA был физик Роберт Финкельштейн, который в то время занимался разработкой единых теорий поля. Случайное знакомство с конспектами лекций математика Марселя Риеса вдохновило Хестенеса на изучение геометрической интерпретации матриц Дирака. Он получил степень доктора философии в UCLA, защитив диссертацию под названием «Геометрическое исчисление и элементарные частицы». Вскоре после этого он понял, что алгебры Дирака и матрицы Паули можно объединить в безматричной форме с помощью метода, позже названного разделением пространства-времени. Затем он переработал свою диссертацию и опубликовал её в 1966 году в виде книги «Пространственно-временная алгебра», которая теперь известна как алгебра пространства-времени (STA). Это был первый важный шаг в разработке единой, независимой от координат геометрической алгебры и исчисления для всей физики.
Постдокторантура и карьера
С 1964 по 1966 год Хестенес был постдокторантом NSF при Принстонском университете под руководством Джона Арчибальда Уилера. В 1966 году он присоединился к физическому факультету Университета штата Аризона, где в 1976 году стал полным профессором, а в 2000 году вышел на пенсию с присвоением звания профессора-эмерита физики. В 1980 и 1981 годах, будучи научным сотрудником NASA, а в 1983 году – консультантом NASA, он работал в Лаборатории реактивного движения, занимаясь орбитальной механикой и управлением ориентацией, где применял геометрическую алгебру при разработке новых математических методов, опубликованных в учебнике/монографии «Новые основы классической механики». В 1983 году он объединился с предпринимателем Робертом Хектом Нильсеном и психологом Питером Ричардом Киллином для проведения первой конференции, полностью посвященной моделированию нейронных сетей мозга. В 1987 году он стал первым приглашенным исследователем в Департаменте когнитивных и нейронных систем (Бостонский университет) и в течение некоторого времени занимался нейробиологическими исследованиями. Хестенес был ведущим исследователем грантов NSF, направленных на обучение физике посредством моделирования и оценку понимания студентами физических моделей как на уровне средней школы, так и на уровне университета.
Работа
Гестенс работал в области математической и теоретической физики, геометрической алгебры, нейронных сетей и когнитивных исследований в научном образовании. Он – ключевая фигура в современном возрождении интереса к геометрическим алгебрам и другим направлениям, вытекающим из алгебры Клиффорда, как способам формализации теоретической физики.
Геометрическая алгебра и исчисление
Алгебра пространства-времени стала отправной точкой для двух основных направлений исследований: ее последствий для квантовой механики в частности и для математической физики в целом. Первое направление возникло из того факта, что переформулировка уравнения Дирака в терминах алгебры пространства-времени выявляет скрытую геометрическую структуру. В частности, это показывает, что комплексный множитель в уравнении является геометрической величиной (бивектором), отождествляемым со спином электрона, где определяет направление спина, а – его величину. Последствия этого открытия были изучены в серии статей, наиболее значимым результатом которой является связь с циттербевегунг Шрёдингера и предложение циттербевегунг-интерпретации квантовой механики. Исследования в этом направлении продолжаются. Второе направление исследований было посвящено расширению геометрической алгебры до самодостаточного геометрического исчисления для использования в теоретической физике. Кульминацией этих усилий стала книга «Алгебра Клиффорда и геометрическое исчисление», в которой представлен подход к дифференциальной геометрии, использующий тензор формы (вторую фундаментальную форму). Новаторские идеи книги включают понятия векторного многообразия, дифференциального внешнего морфизма, векторной производной, обеспечивающей координатно-независимое исчисление на многообразиях, и обобщение теоремы Коши об интеграле на более высокие размерности. Гестенес подчеркивает важную роль математика Германна Грассмана в развитии геометрической алгебры, а Уильям Кингдон Клиффорд опирался на работы Грассмана. Гестенес настойчиво требует называть этот математический подход «геометрической алгеброй», а его расширение – «геометрическим исчислением», вместо использования термина «алгебра Клиффорда». Он подчеркивает универсальность этого подхода, основы которого были заложены как Грассманом, так и Клиффордом. Он отмечает, что вклад внесли многие исследователи, и сам Клиффорд использовал термин «геометрическая алгебра», что отражает понимание этого подхода как математической формулировки геометрии. В то время как, по мнению Гестенеса, термин «алгебра Клиффорда» часто рассматривается просто как «одна из многих алгебр», что отвлекает внимание от его роли как единого языка для математики и физики. Работы Гестенеса были применены к лагранжевой теории поля, формулированию теории калибровочной гравитации, альтернативной общей теории относительности, предложенной Лассенби, Дораном и Галлом, которую они называют калибровочной теорией гравитации (GTG), а также к спиновым представлениям групп Ли. Недавно это привело Гестенеса к формулированию конформной геометрической алгебры – нового подхода к вычислительной геометрии, который находит все большее число применений в инженерии и компьютерных науках. Он принимает участие в ключевых конференциях в этой области, таких как Международная конференция по алгебрам Клиффорда (ICCA) и серия конференций «Приложения геометрической алгебры в компьютерных науках и технике» (AGACSE).
Теория моделирования и инструкции
С 1980 года Хестенс разрабатывает теорию моделирования в науке и познании, особенно с целью руководства разработкой учебных программ по естественным наукам. Теория чётко разграничивает концептуальные модели, составляющие ядро содержания науки, и ментальные модели, необходимые для их понимания. Обучение посредством моделирования (Modeling Instruction) разработано для вовлечения учащихся во все аспекты моделирования, понимаемого в широком смысле как конструирование, проверка, анализ и применение научных моделей. Для оценки эффективности обучения посредством моделирования Хестенс и его студенты разработали Force Concept Inventory – инструмент для оценки понимания студентами основ физики. После десяти лет образовательных исследований, направленных на разработку и валидацию подхода, Хестенс получил гранты от Национального научного фонда ещё на десять лет для распространения программы Modeling Instruction по всей стране. По состоянию на 2011 год в летних семинарах по моделированию приняли участие более 4000 учителей, включая почти 10% учителей физики старших классов США. По оценкам, преподаватели, использующие подход моделирования, охватывают более 100 000 студентов ежегодно. Одним из результатов программы стало создание учителями собственной некоммерческой организации – Американской ассоциации учителей моделирования (AMTA) – для продолжения и расширения миссии после прекращения государственного финансирования. AMTA выросла в общенациональное сообщество учителей, стремящихся решить кризис в образовании в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM). Другим результатом программы моделирования стало создание программы магистратуры в Университете штата Аризона для непрерывного профессионального развития преподавателей STEM, предоставляющей проверенную модель для аналогичных программ в университетах по всей стране.
Спор о проекте движения Science Invents, LLC
30 августа 2023 года имя Хестенеса было фигурировало в деле, поданном в окружной суд США штата Юта группой венчурных капиталистов. Истцы утверждали, что он поддерживал и участвовал в финансовой пирамиде, связанной с дискредитированной технологией антигравитационной двигательной установки, которую продвигала компания Science Invents, LLC из Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Эта компания принадлежала Джо Фирмеджу, бывшему основателю USWeb. Утверждалось, что Хестенес получил свыше 100 000 долларов в виде откатов от Фирмеджа и других руководителей, причастных к схеме, а также за привлечение инвесторов. В иске заявляется, что Фирмедж и другие ложно утверждали, будто технология двигательной установки одобрена и финансируется Министерством обороны, а также что Хестенес подтвердил научную обоснованность этой технологии, что Хестенес категорически отрицает. По имеющимся данным, финансовая пирамида обманула инвесторов на общую сумму 25 миллионов долларов в течение 10 лет. 26 декабря 2023 года судом было вынесено решение о взыскании с ответчиков по умолчанию.