Кіріспе

The Mechanical Universe And Beyond - Калифорния технология институтында түсірілген 52 бөлімді телекурс, ол университет деңгейіндегі физиканы таныстырады, Коперниктен кванттық механикаға дейінгі тақырыптарды қамтиды. 1985-86 сериясын Калифорнияның қоғамдық колледждерінің коммерциялық емес консорциумы - Калтех пен INTELECOM шығарды, қазір Intelecom Learning деп аталады, Annenberg / CPB қаржылық қолдауымен. және реактивті қозғалтқыш зертханасындағы Том Браун. Әр серияның басы мен аяғында Калтех университеті профессоры Дэвид Гудштейн лекция залында сөйлеген сөзінде "біздің сүйкімді, бет-әлпеті жоқ баяндамашымыздың аузына түсіре алмайтын" түсіндірмелерді береді. Төрт ғасырдан астам уақыт өткеннен кейін, бұл серия әлі де жиі қосымша оқу құралы ретінде қолданылады, өйткені ол арнайы салыстырмалылық теориясы сияқты негізгі ұғымдарды анық түсіндіреді. Гудштейнді бейнелейтін кітапшалар Калтехтің физика 1а және 1б курстарынан алынған нақты бірінші курс физикасы лекцияларының арнайы сахналанған нұсқалары болды. Теледидар бағдарламасында баса назар аударатын тақырыптарды ұйымдастыру және таңдау сол кездегі Калтехтің физикаға кіріспе оқу бағдарламасының жаңадан қарастырылуын, шамамен екі он жыл бұрын Физика туралы Фейнман дәрістерімен ұсынылғаннан бері алғашқы толық жөндеуді көрсетеді. Фейнман әдетте тақырыптардың қазіргі заманғы үлгілерін іздесе, оқу бағдарламасының кейінгі қайта қаралуы тарихи назарды көбірек әкелді:<blockquote>Негізінде, бұрынғы Фейнман курсы физиканы қызықты етуге тырысты, мүмкін болған жағдайда, әр пәнді қазіргі заманғы ғылыми проблемалармен байланыстырды. Жаңа бағыт қарама-қарсы бағытты ұстанады, бастапқы ашылудың тарихи қызығушылығын қайта құруға тырысты. Мысалы, классикалық механика - студенттер үшін өте қиын және әсерсіз пән - "біздің ғаламдағы орнымызды" табу ретінде қарастырылады. Осыған сәйкес аспан механикасы - бұл пәннің арқауы, ал оның шыңы - Ньютонның Кеплер проблемасын шешуі.

Өндірістің егжей-тегжейі

Кітапшаның аясындағы бөлме Калтехтегі Бридж лекциялық залы. Көптеген экстралар басқа мектептердің студенттері болды, ал лекция залының алдыңғы қатарлары әдеттегідей Калтех лекцияларында көрінетін әйелдерден көбірек әйелдермен толы болды. Теледидар продюсерлері лекция залына жалған ағаш панельдерін қосты, сондықтан ол "Қағаз іздеу" шоуындағыға ұқсайды. Кейіннен Калтех физика бөлімі панельдер тұрақты орнатылатын нәтижеге таң қалды. Көптеген басқа бейне сегменттері жергілікті жерде түсірілді, мысалы, сұйық ауа өндіретін Linde өнеркәсіптік зауытында. Тарихи көріністер көп жағдайда жалпыға бірдей болып, оларды бірнеше эпизодтарда қайта пайдалануға мүмкіндік беру үшін жасалды: "Жас Ньютон алма бақшасында серуендеген, ескі Ньютон қызметшіден шай ішуден бас тартқан және т.б". Кейіннен бұл 60 эпизодқа дейін кеңейтілді, содан кейін бюджет және өндіріс кестесі себептері бойынша олардың саны 52-ге дейін қысқартылды. Шоуда математикалық есеппен бұрыннан айналысқан тәжірибе талап етілмеді. Оның орнына дифференциалдық және интегралды есептеудің негіздері серияның басында оқытылады. Гуманитарлық пәндер студенттеріне тест көрсетілімдері олардың математикалық есептеуді үйренудегі ең үлкен қиындықтары тригонометриядағы әлсіз негіз екенін көрсеткенде, Апостол телекурспен бірге таратылатын тақырып бойынша нұсқаулық жазды. Бұл кейінірек Caltech-тің Project Mathematics! сериясына айналды, онда Блинннің компьютерлік анимациясы да болды. Блинннің "Механикалық ғалам" үшін жасаған кейбір анимациялары алгебра, геометрия және тригонометрияның қолданылуын көрсету үшін жаңа серияда қайта қолданылды. 1990 жылы шыққан Total Recall ғылыми-фантастикалық экшн-фильмі Механикалық Әлемнің атаулар тізбесін пайдаланды, онда басты кейіпкерге (Арнольд Шварценеггер ойнаған Дуглас Куэйд) Күн жүйесінің айналасындағы жерлерге виртуалды демалыс ұсынылады. Анимация лицензиясыз қолданылды, сондықтан Caltech және Intelecom Carolco Pictures компаниясын 3 миллион доллар талап етті. Математикалық теңдеулердің егжей-тегжейлі шығарылымын көрсету үшін шоуда оның жасаушылары "алгебралық балет" деп атаған техника қолданылды. Мақсаты - көрермендердің "миінін 60 циклдық ырғаққа" түсіруден аулақ болу, бұл ретте оқушыларды әр анимациядан алынған нәрсенің жалпы мазмұнын білуге, содан кейін қосымша оқулық арқылы егжей-тегжейін зерделеуге мүмкіндік беру. Бір сарапшы бұл анимацияларды "оқушыларға магнит өрістері сияқты үш өлшемді құбылыстарды түсінуге көмектесетін аса пайдалы" деп есептеді. Физика тұжырымдамаларын визуализациялау үшін қажетті компьютерлік графиканы жасау Блиннді бұлттарды симуляциялаудың жаңа әдістерін, сондай-ақ метабол деп аталатын виртуалды "блобби объектілерін" ойлап табуға мәжбүр етті. Блинн нүктелік зарядтардан сәуле шашатын электр өрісі желілерінің орналасуын анықтау үшін тұрақты икосаэдрлер мен додекаэдрлердің түбегі координаттарын қолданды. Актер Арон Флетчер баяндамасының көп бөлігін айтты, ол тарихи сегменттерде Галилео Галилейдің рөлін де сомдады. Кейбір бөліктерді, мысалы, белгілі бір техникалық егжей-тегжейлі түсіндірмелерді шоудың атқарушы продюсері Салли Бити айтып берді. Бұл бейнероликтер оқытушылардың пайдасына қосымша жазбаша материалдармен бірге таратылды және оларды қолданыстағы оқулықтармен бірге пайдалану үшін жасалды. Кейіннен Йоркшир теледидары Ұлыбритания аудиториясы үшін қайта таңбаланған нұсқасын шығарды, ол 1991 жылдың сәуірінде шығарылды.

Қаржыландыру

Annenberg/CPB "Механикалық ғалам" фильмінің өндірісін қаржыландырды. Шоу 1980 жылдардың басында Annenberg Foundation-тің Қоғамдық радио хабарларын тарату корпорациясына берген алғашқы 90 миллион долларлық уәдесімен қаржыландырылған алғашқы он екі жобаның бірі болды. Жобаның жалпы құны шамамен 10 миллион долларды құрады. 1986 жылдың күзінде шамамен 100 PBS станциясы "Механикалық ғаламды" таратты, ал 1987 жылдың күзінде 600-ден астам жоғары оқу орындары оны сатып алды немесе эпизодтарды пайдалануға лицензия берді. Ол егжей-тегжейлі көрермендер санын алу қиын екенін байқады, бірақ шоу сенбі күні таңертең Майамиде көрсетілсе, продюсерлер Нильсен рейтингтерін ала алды. Шын мәнінде, ол екі желілік станциядағы балалардың мультфильмдерін жеңіп, екінші орынға шықты. Тек Дейд округінде 18000 адал отбасы болды, көрермендердің орташа жасы 18 болды, ал жартысы әйелдер. Алайда, біз мұндай егжей-тегжейлі ақпаратты сирек аламыз. Сондай-ақ, сарапшылар компьютерлік анимацияланған теңдеулердің "алгебралық балеті" өте тез орындалатынын байқады: "Қисық уақыттан кейін, адам жазу тақтасына теңдеулерді толтыратын тірі профессорды аңсайды". Физик Чарльз Холброу Оленикке: "Бұл материалдар физиканың негізгі бейнесі болып онжылдықтар бойы қала береді", - деді. Лос-Анджелес Таймс газетінің редакторлық мақаласында бұл шоу "әдемі" және анимация "өте керемет" деп аталып, "егер дифференциалдық калькуль теледидардың ең жоғары сынағы болмаса, ол кез келген жарыстың жартылай финалына жетеді" деп әзілдеді. Гудштейн мен Оленик жас көрермендердің "алгебралық балет" стилін "әдеттегідей ұната алмайтын алгебралық манипуляциялардан ыңғайсыздық сезінетін үлкен көрермендерге қарағанда" көбірек ұнайтынын хабарлады. 1987 жылы Индиана Университетінің Блумингтон қаласында жүргізілген зерттеуде Ньютон механикасы бойынша кіріспе курстың бір бөлігі ретінде 14 механикалық ғалам эпизодтары қолданылды, жалпы алғанда, оң нәтижелер: бұл таспалар Ньютон механикасын тарихи тұрғыдан қарастыруда ерекше тиімді болды; Аристотельдік және ортағасырлық идеялардың тарихи құлдыралуын драмаландыру; ғалымдардың әртүрлі табиғаты мен ғылыми әрекетті көрсету; студенттердің қызығушылығы мен ынтасын ынталандыру; және керемет анимация арқылы белгілі бір механика тұжырымдамаларының уақыт өлшемдерін көрсету. Қосымша мәтін [ ] курсқа арналған кітапхана резервінде қалдырылды, бірақ студенттер оны кеңінен пайдаланбады. Кейінгі зерттеулер видеолар физиканы басқа салалардағы профессорларға түсіндіруде де пайдалы болатынын көрсетті. Теріс реакциялар әдетте эпизодтардың ішкі сапасына байланысты емес, ғылым тарихының "талдауды сынаққа дайындау нұсқаулығы" ретінде қарастырылған мазмұннан алыстаған уақытқа байланысты. Тергеуші былай деп еске алды: "Біреулер видеотаспадағы материалды сынақтан өткізілмейді деп ойлап, жарық біткен кезде есіктерге қарай бет алды! Осы үрдіске қарсы тұру үшін мен видеотаспаларда талқыланған тарихи немесе әдеби деректерге негізделген бірнеше тест сұрақтарын қолдана бастадым. Кейбір оқушылар: "Бұл не, өлең сабағы ма?" - деп ашуланды. Оқу залында қолдану 1990-шы жылдары жалғасты. Калифорния университеті Берклидегі азшылықты білім беру бағдарламасы топтық талқылаудың бір бөлігі ретінде Механикалық Әлем эпизодтарын (Лазерлік Дискіде) қолданды. 1993 жылы сериалдың шолуында ғылым тарихшысы бірнеше жыл бойы өзінің сыныптарында эпизодтарды қолданғанын, "Кеплестің үш заңы" және "Майклсон-Морли эксперименті" жеке сүйіктілері ретінде атағанын айтты. Кеплер фильмінің басты бөлігі - бұл Кеплер планеталардың орбиталары дөңгелек емес, эллипстік екенін қалай анықтағанын керемет графикалық түрде көрсеткен сегмент. Оның алдында тұрған қиындықтың қаншалықты күрделі екені және оны шешу үшін қолданған әдісінің нәзіктігі айқын көрінеді. Бұл таңғажайып жаңалықты, өте қарапайым болып көрінетін болса, одан да жақсы жолмен баяндау мүмкін емес. 2005 жылы "Физика мұғалімі" журналында жарық көрген "Механикалық ғалам" атты мақаласы физиканы алғаш рет оқытатын оқытушыларға арналған дайындық ретінде ұсынылды. Физика мұғалімі бұл мақалаларды "жетілді оқушылар үшін макияж тапсырмасы ретінде" ұсынды. Wired журналының веб-сайтында жазған Ретт Аллайн бұл серияны дәстүрлі лекциялардың кейбір функцияларын алмастыратын бейнелердің үлгісі ретінде келтірді.

Марапаттар

1987 жылы "Лоренцтің трансформациясы" (42-эпизод) білім беру теледидары үшін он алтыншы жыл сайынғы Жапония сыйлығына ие болды. "Механикалық ғалам" басқа да сыйлықтарға ие болды: 1986 жылы Бирмингем халықаралық кинофестивалінің алтын сыйлығы, Аудиовизуалды коммуникаторлар халықаралық қауымдастығының екі "Синди" сыйлығы (1987 және 1988), Нью-Йорк халықаралық кино және телефестивалінің алтын сыйлығы (1985) және күміс сыйлығы (1987), Ұлттық білім беру кино және бейне фестивалінің күміс (1986) және алтын алма (1987) сыйлығы, Чикаго халықаралық кинофестивалінің алтын тақтасы (1985) Гудштейн 1999 жылы физика білім берудегі жұмысы үшін, оның ішінде "Механикалық ғалам" үшін Оерстед медалімен марапатталды. Компьютерлік графика саласындағы үлесі үшін, оның ішінде Космос, Механикалық Ғалам және Математика жобасы үшін жасаған анимациялары үшін! Блинн 1991 жылы МакАртур стипендиясын, сондай-ақ 1999 жылы Стивен А. Куонс сыйлығын алды.

Такома тар көпірінің құлауының суреті

Физиканың көптеген кіріспе мәтіндері сияқты, The Mechanical Universe 1940 жылы Такома Нарроуз көпірінің құлауы туралы "Резонанс" эпизодындағы апаттың кадрларын пайдалана отырып, резонанстың мысалы ретінде келтіреді. Алайда, соңғы экспозициялар көрсеткендей, көпірді жойған апатты тербелістер қарапайым механикалық резонансқа емес, көпір мен оның арқылы өтетін желдің арасындағы күрделі өзара әрекеттесуіне байланысты болды - бұл аэроэластикалық желкесіп кету деп аталатын құбылыс. Бұл құбылыс - сыртқы түрленетін қарапайым гармоникалық тербелістің сызықтық теориясының қолданылу режимінен тыс жатқан "өзін-өзі ұстап тұратын тербеліс" түрі.

Эпизодтар тізімі

Алғашқы 26 эпизодтың ашылу сызығында шоуның атауы "Механикалық ғалам" деп көрсетілген, ал соңғы 26 эпизод "Механикалық ғалам және одан да тыс" деп аталады. Қосымшаның себебін Гудштейн соңғы эпизодтың қорытынды лекция сегментінде түсіндіреді: Бірінші ғылыми революцияда адам немесе құдай билігінің түсіндірілуіне қатысты дау бақылаумен, өлшеумен, гипотезаларды сынаумен, барлығы сандық математикалық ойлаудың күшті көмегімен ауыстырылды. Осылардың барлығы механикалық ғаламға айналды, ол өзінің тағдырын нақты, болжамды механикалық заңдарға сәйкес анықтады. Бүгінде біз бұл ғаламға сенбейміз. Егер мен қандай да бір бөлшектің белгілі бір сәтте нақты орнын білсем, оның қайда және қанша жылдамдықпен қозғалатынын білмеймін. "Жарайды, қайда бара жатқанын білмейсің, бірақ шын мәнінде қайда бара жатқанын білмейсің" десеңіз, бұл мүлдем маңызды емес. Бұл сұрақ ғылыми тұрғыдан мағынасыз. Біз өмір сүріп жатқан әлемнің табиғаты осындай. Бұл кванттық механиканың ғаламы. Сериалды Калтектен сатып алуға немесе онлайн бейне көздерінен, соның ішінде Калтектің ресми YouTube арнасынан жүктеуге болады. Калтех сонымен қатар YouTube-та SIGGRAPH конференциясында шоудың компьютерлік анимациясын көрсету үшін Блинн жасаған қысқа бейнелер сериясын жариялады.

Қауымдастық оқулықтары

Р. П. Оленик, Т. М. Апостол және Д. Л. Гудштейн (1986). Механикалық ғалам: механика мен жылуға кіріспе (Кембридж университетінің баспасы). Р. П. Оленик, Т. М. Апостол және Д. Л. Гудштейн (1986). Механикалық ғаламнан тыс: электр энергиясынан заманауи физикаға дейін (Кембридж университетінің баспасы).