Уильям Кингдон Клиффорд FRS (4 мая 1845 г. – 3 марта 1879 г.) был британским математиком и философом . Основываясь на работах Германа Грассмана , он ввел то, что сейчас называется геометрической алгеброй , частным случаем алгебры Клиффорда, названной в его честь. Операции геометрической алгебры имеют эффект зеркального отображения, вращения, перевода и отображения геометрических объектов, которые моделируются в новые положения. Алгебры Клиффорда в целом и геометрическая алгебра в частности имели все большее значение для математической физики , [1] геометрии , [2] и вычислений . [3] Клиффорд был первым, кто предположил, что гравитация может быть проявлением базовой геометрии. В своих философских трудах он ввел выражение mind-stuff .
Родившийся в Эксетере , Уильям Клиффорд получил образование в Академии доктора Темплтона на Бедфорд-Серкус и подавал большие надежды в школе. [4] Он поступил в Королевский колледж Лондона (в возрасте 15 лет) и Тринити-колледж в Кембридже , где был избран членом в 1868 году, после того как стал вторым Вранглером в 1867 году и вторым призером Смита. [5] [6] В 1870 году он был частью экспедиции в Италию, чтобы наблюдать солнечное затмение 22 декабря 1870 года. Во время этого путешествия он пережил кораблекрушение у побережья Сицилии. [7]
В 1871 году он был назначен профессором математики и механики в Университетском колледже Лондона , а в 1874 году стал членом Королевского общества . [5] Он также был членом Лондонского математического общества и Метафизического общества .
Клиффорд женился на Люси Лейн 7 апреля 1875 года, у них было двое детей. [8] Клиффорд любил развлекать детей и написал сборник сказок « Маленькие люди» . [9]
В 1876 году у Клиффорда случился нервный срыв, вероятно, вызванный переутомлением. Днем он преподавал и руководил, а ночью писал. Полугодовой отпуск в Алжире и Испании позволил ему возобновить свои обязанности на 18 месяцев, после чего он снова свалился. Он отправился на остров Мадейра, чтобы выздороветь, но через несколько месяцев умер там от туберкулеза , оставив вдову с двумя детьми.
Клиффорд и его жена похоронены на лондонском кладбище Хайгейт , рядом с могилами Джордж Элиот и Герберта Спенсера , к северу от могилы Карла Маркса .
Академический журнал Advances in Applied Clifford Algebras публикует работы, посвященные наследию Клиффорда в области кинематики и абстрактной алгебры .
«Клиффорд был прежде всего и прежде всего геометром».
— Генри Джон Стивен Смит [5]
Открытие неевклидовой геометрии открыло новые возможности в геометрии в эпоху Клиффорда. Родилась область внутренней дифференциальной геометрии , с понятием кривизны, широко применяемым к самому пространству , а также к кривым линиям и поверхностям. Клиффорд был очень впечатлен эссе Бернхарда Римана 1854 года «О гипотезах, лежащих в основе геометрии». [10] В 1870 году он представил Кембриджскому философскому обществу доклад о концепциях искривленного пространства Римана и включил в него рассуждения об искривлении пространства под действием гравитации. Перевод Клиффорда [11] [12] статьи Римана был опубликован в Nature в 1873 году. Его доклад в Кембридже «О пространственной теории материи» был опубликован в 1876 году, предвосхитив общую теорию относительности Альберта Эйнштейна на 40 лет. Клиффорд разработал геометрию эллиптического пространства как неевклидово метрическое пространство . Эквидистантные кривые в эллиптическом пространстве теперь называются параллелями Клиффорда .
Современники Клиффорда считали его проницательным и оригинальным, остроумным и сердечным. Он часто работал до поздней ночи, что, возможно, ускорило его смерть. Он опубликовал статьи по ряду тем, включая алгебраические формы и проективную геометрию , а также учебник Elements of Dynamic . Его применение теории графов к теории инвариантов было продолжено Уильямом Споттисвудом и Альфредом Кемпе . [13]
В 1878 году Клиффорд опубликовал основополагающую работу, основанную на обширной алгебре Грассмана. [14] Ему удалось объединить кватернионы , разработанные Уильямом Роуэном Гамильтоном , с внешним произведением Грассмана (также известным как внешнее произведение ). Он понял геометрическую природу творения Грассмана и то, что кватернионы четко вписываются в алгебру, разработанную Грассманом. Версоры в кватернионах облегчают представление вращения. Клиффорд заложил основу для геометрического произведения, состоящего из суммы внутреннего произведения и внешнего произведения Грассмана. Геометрическое произведение в конечном итоге было формализовано венгерским математиком Марселем Риссом . Внутреннее произведение снабжает геометрическую алгебру метрикой, полностью включающей отношения расстояний и углов для линий, плоскостей и объемов, в то время как внешнее произведение придает этим плоскостям и объемам векторные свойства, включая направленное смещение.
Объединение этих двух операций привело к операции деления. Это значительно расширило наше качественное понимание того, как объекты взаимодействуют в пространстве. Что особенно важно, это также предоставило средства для количественного расчета пространственных последствий этих взаимодействий. Полученная геометрическая алгебра, как он ее назвал, в конечном итоге реализовала долгожданную цель [i] создания алгебры, которая отражает движения и проекции объектов в трехмерном пространстве. [15]
Более того, алгебраическая схема Клиффорда распространяется на более высокие измерения. Алгебраические операции имеют ту же символическую форму, что и в 2- или 3-мерном пространстве. Важность общих алгебр Клиффорда со временем возросла, в то время как их классы изоморфизма — как действительных алгебр — были идентифицированы в других математических системах, помимо просто кватернионов. [16]
Области действительного анализа и комплексного анализа были расширены с помощью алгебры кватернионов H , благодаря ее понятию трехмерной сферы, вложенной в четырехмерное пространство. Кватернионные версоры , которые населяют эту 3-мерную сферу, обеспечивают представление группы вращения SO(3) . Клиффорд отметил, что бикватернионы Гамильтона были тензорным произведением известных алгебр, и предложил вместо этого два других тензорных произведения H : Клиффорд утверждал, что «скаляры», взятые из комплексных чисел C, могли бы вместо этого быть взяты из расщепленных комплексных чисел D или из дуальных чисел N. В терминах тензорных произведений, производит расщепленные бикватернионы , в то время как образует дуальные кватернионы . Алгебра дуальных кватернионов используется для выражения винтового смещения , распространенного отображения в кинематике.
Имя Клиффорда как философа в основном ассоциируется с двумя фразами его творений: mind-stuff и tribal self . Первая символизирует его метафизическую концепцию, подсказанную ему чтением Баруха Спинозы , [5] которую Клиффорд (1878) определил следующим образом: [18]
Тот элемент, комплексом которого, как мы видели, является даже самое простое чувство, я назову Разумом. Движущаяся молекула неорганической материи не обладает разумом или сознанием; но она обладает небольшим кусочком разума. Когда молекулы так объединяются вместе, что образуют пленку на нижней стороне медузы, элементы разума, которые идут вместе с ними, так объединяются, что образуют слабые зачатки Чувствительности. Когда молекулы так объединяются, что образуют мозг и нервную систему позвоночного, соответствующие элементы разума так объединяются, что образуют некое сознание; то есть изменения в комплексе, которые происходят в одно и то же время, так связываются вместе, что повторение одного подразумевает повторение другого. Когда материя принимает сложную форму живого человеческого мозга, соответствующее разум принимает форму человеческого сознания, имеющего интеллект и волю.
— «О природе вещей в себе» (1878)
Относительно концепции Клиффорда сэр Фредерик Поллок писал:
Короче говоря, концепция заключается в том, что разум является единственной конечной реальностью; не разум, каким мы его знаем в сложных формах сознательного чувства и мысли, а более простые элементы, из которых строятся мысль и чувство. Гипотетический конечный элемент разума, или атом вещества разума, точно соответствует гипотетическому атому материи, будучи конечным фактом, явлением которого является материальный атом. Материя и чувственная вселенная являются отношениями между отдельными организмами, то есть разумом, организованным в сознание , и остальным миром. Это приводит к результатам, которые в свободном и популярном смысле можно было бы назвать материалистическими . Но теория должна, как метафизическая теория, считаться идеалистической. Говоря технически, это идеалистический монизм . [5]
Племенное я , с другой стороны, дает ключ к этическому взгляду Клиффорда, который объясняет совесть и моральный закон развитием в каждом индивидууме «я», которое предписывает поведение, способствующее благополучию «племени». Большая часть современной известности Клиффорда была обусловлена его отношением к религии . Воодушевленный сильной любовью к своей концепции истины и преданностью общественному долгу, он вел войну с такими церковными системами, которые, как ему казалось, благоприятствовали обскурантизму и ставили требования секты выше требований человеческого общества. Тревога была больше, поскольку теология все еще не была примирена с дарвинизмом ; и Клиффорд считался опасным поборником антидуховных тенденций, которые тогда приписывались современной науке. [5] Также ведутся споры о том, в какой степени учение Клиффорда о « сопутствующих обстоятельствах » или « психофизическом параллелизме » повлияло на модель нервной системы Джона Хьюлингса Джексона и, через него, на работы Жане, Фрейда, Рибо и Эй. [19]
В своем эссе 1877 года «Этика веры » Клиффорд утверждает, что безнравственно верить в то, для чего нет доказательств. [20] Он описывает судовладельца, который планировал отправить в море старое и некачественно построенное судно, полное пассажиров. У судовладельца были сомнения, что судно может оказаться непригодным для плавания: «Эти сомнения терзали его разум и делали его несчастным». Он подумывал о том, чтобы переоборудовать судно, хотя это и было бы дорого. Наконец, «ему удалось преодолеть эти меланхоличные размышления». Он наблюдал, как судно уходит «с легким сердцем… и получил свои страховые деньги, когда оно затонуло посреди океана и не рассказало ни одной сказки». [20]
Клиффорд утверждает, что судовладелец был виновен в смерти пассажиров, хотя он искренне верил, что судно было в порядке: « [Он] не имел права верить на основании тех доказательств, которые были у него ». [ii] Более того, он утверждает, что даже в случае, когда судно успешно достигало пункта назначения, решение оставалось безнравственным, потому что мораль выбора определялась навсегда после того, как выбор был сделан, а фактический результат, определенный слепым случаем, не имел значения. Судовладелец был бы не менее виновен: его правонарушение никогда не было бы обнаружено, но он все равно не имел права принимать это решение, учитывая имевшуюся у него в то время информацию.
Клиффорд приходит к знаменитому выводу, который стал известен как принцип Клиффорда : «Всегда, везде и для кого бы то ни было неправильно верить чему-либо без достаточных доказательств». [20]
Таким образом, он выступает в прямой оппозиции к религиозным мыслителям, для которых «слепая вера» (т. е. вера в вещи, несмотря на отсутствие доказательств) была добродетелью. Эта статья была подвергнута известным нападкам со стороны философа -прагматика Уильяма Джеймса в его лекции « Воля к вере ». Часто эти две работы читаются и публикуются вместе как пробные камни для дебатов по поводу эвиденциализма , веры и чрезмерной веры .
Хотя Клиффорд никогда не строил полную теорию пространства-времени и относительности , есть несколько замечательных наблюдений, которые он сделал в печати, предвосхитивших эти современные концепции: В своей книге «Элементы динамики» (1878) он ввел «квазигармоническое движение в гиперболе». Он написал выражение для параметризованной единичной гиперболы , которую другие авторы позже использовали в качестве модели для релятивистской скорости. В другом месте он утверждает: [21]
В этом отрывке упоминаются бикватернионы , хотя Клиффорд превратил их в сплит-бикватернионы в качестве своей независимой разработки. Книга продолжается главой «Об изгибе пространства», сущности общей теории относительности . Клиффорд также обсуждал свои взгляды в «О пространственной теории материи» в 1876 году.
В 1910 году Уильям Барретт Франкланд процитировал Пространственную теорию материи в своей книге о параллелизме: «Смелость этого предположения, безусловно, непревзойденна в истории мысли. Однако до сих пор оно выглядит как полет Икара». [22] Спустя годы, после того как Альберт Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности , различные авторы отметили, что Клиффорд предвосхитил Эйнштейна. Герман Вейль (1923), например, упоминал Клиффорда как одного из тех, кто, подобно Бернхарду Риману , предвосхитил геометрические идеи относительности. [23]
В 1940 году Эрик Темпл Белл опубликовал книгу «Развитие математики» , в которой он обсуждает пророчество Клиффорда о теории относительности: [24]
Джон Арчибальд Уилер на Международном конгрессе по логике, методологии и философии науки (CLMPS) в Стэнфорде в 1960 году представил свою геометродинамическую формулировку общей теории относительности, указав Клиффорда как инициатора. [25]
В «Естественной философии времени » (1961) Джеральд Джеймс Уитроу вспоминает пророчество Клиффорда, цитируя его, чтобы описать метрику Фридмана–Леметра–Робертсона–Уокера в космологии. [26]
Корнелиус Ланцос (1970) резюмирует предчувствия Клиффорда: [27]
Аналогично, Банеш Хоффманн (1973) пишет: [28]
В 1990 году Рут Фарвелл и Кристофер Ни исследовали записи о признании предвидения Клиффорда. [29] Они пришли к выводу, что «именно Клиффорд, а не Риман, предвосхитил некоторые концептуальные идеи общей теории относительности». Чтобы объяснить отсутствие признания предвидения Клиффорда, они указывают, что он был экспертом в метрической геометрии, а «метрическая геометрия была слишком сложной для ортодоксальной эпистемологии, чтобы ею заниматься». [29] В 1992 году Фарвелл и Ни продолжили свое исследование Клиффорда и Римана: [30]
[Они] считают, что с тех пор, как тензоры были использованы в общей теории относительности, появилась структура, в которой могла быть разработана геометрическая перспектива в физике и которая позволила заново открыть сложные геометрические концепции Римана и Клиффорда.
«Я… считаю, что в физическом мире не происходит ничего иного, кроме этого изменения [кривизны пространства]».
— Математические труды (1882)
«Нет ни одного ученого-первооткрывателя, поэта, художника, музыканта, который не скажет вам, что он нашел свое открытие, поэму или картину готовыми — что они пришли к нему извне, а не он сознательно создал их изнутри».
— «Некоторые условия психического развития» (1882), лекция в Королевском институте
«Всегда, везде и для всех неправильно верить чему-либо без достаточных доказательств».
— Этика веры (1879) [1877]
«Если человек, придерживаясь убеждения, которому его научили в детстве или в котором его убедили впоследствии, подавляет и отталкивает любые сомнения, возникающие в его уме по этому поводу, намеренно избегает чтения книг и общества людей, которые подвергают это убеждение сомнению или обсуждают его, и считает нечестивыми те вопросы, которые нельзя легко задать, не нарушив его, то жизнь такого человека — один долгий грех против человечества».
— Этика веры (1879) [1877]
«Меня не было, и я был зачат. Я любил и немного потрудился. Меня нет, и я не скорблю».
— Эпитафия
Лекции о десяти британских математиках девятнадцатого века.(См. особенно страницы 78–91)