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.

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.