Введение
"Механическая Вселенная и за её пределами" - телекурс из 52 частей, снятый в Калифорнийском технологическом институте, который представляет физику университетского уровня, охватывая темы от Коперника до квантовой механики. Серия 1985-86 была произведена Caltech и INTELECOM, некоммерческим консорциумом калифорнийских общественных колледжей, теперь известных как Intelecom Learning, при финансовой поддержке Annenberg/CPB. и Тома Брауна в Лаборатории реактивного движения. Каждая серия начинается и заканчивается фрагментами в конце книги, в которых профессор Калтеха Дэвид Гудштейн, выступая в лекционном зале, дает объяснения, "которые не могут быть полностью переданы в рот нашему дружелюбному, безликому рассказчику". Спустя более четверти века серия все еще часто используется в качестве дополнительного учебного пособия, для его четкого объяснения фундаментальных понятий, таких как специальная теория относительности. Сегменты в книге с участием Гудштейна были специально сняты версии настоящих лекций по физике для первокурсников из курсов физики 1а и 1b в Калтехе. Организация и выбор тем для подчеркивания в телевизионном шоу отражают недавний пересмотр вводного учебного плана физики Калтеха, первый полный пересмотр с тех пор, как он был представлен лекциями Фейнмана по физике почти два десятилетия назад. В то время как Фейнман обычно искал современные примеры тем, более поздний пересмотр учебной программы привёл к более историческому фокусу: <blockquote> По сути, ранее курс Фейнмана стремился сделать физику захватывающей, связав каждый предмет, где это возможно, с современными научными проблемами. Новый курс занял противоположный курс, попытавшись воссоздать историческое волнение первоначального открытия. Например, классическая механика - известный трудный и не вдохновляющий предмет для студентов - рассматривается как открытие "нашего места во Вселенной". Соответственно, небесная механика является основой предмета, а ее кульминацией является решение Ньютоном проблемы Кеплера.
Подробности производства
Комната, показанная в сегментах в конце книги, является лекционным залом Бриджа в Калтехе. Многие из них были студентами из других школ, а передние ряды лекционного зала были намеренно заполнены больше женщинами, чем обычно бывает на лекциях в Калтехе. Команда продюсеров добавила фальшивые деревянные панели в лекционный зал, чтобы он был более похож на тот, который показывают в шоу "Бумажная погоня". Позже, физический отдел Калтеха был настолько впечатлен результатом, что панели были установлены на постоянной основе. Многие другие видеосегменты были сняты на месте, например, на промышленном заводе Linde, который производил жидкий воздух. Исторические сцены часто делались общими, чтобы облегчить их повторное использование в нескольких эпизодах: "Молодой Ньютон прогуливается по яблоневому саду, старый Ньютон упорно отказывается от чашки чая от слуги и так далее". Позже это было расширено до 60 эпизодов, затем их количество сократилось до 52 из-за бюджета и графика производства. Шоу не требовало опыта работы с математическим исчислением. Вместо этого основы дифференциального и интегрального исчисления будут преподаваться в самом начале серии. Когда экзамены студентов гуманитарных наук показали, что их наибольшей трудностью в изучении исчисления является слабый опыт в тригонометрии, Апостол написал учебник по этому предмету, который будет распространяться вместе с телекурсом. Это стало поздней серией Caltech Project Mathematics!, в которой также была компьютерная анимация Блинна. Некоторые анимации Блинна для "Механической вселенной" были повторно использованы в новой серии, чтобы проиллюстрировать применение алгебры, геометрии и тригонометрии. В научно-фантастическом фильме "Тотальный отзыв" 1990 года использовались части заглавной последовательности "Механической вселенной" в сцене, где главный герой (Дуглас Куэйд, в роли Арнольда Шварценеггера) предлагает виртуальные каникулы в местах вокруг Солнечной системы. Анимация была использована без лицензии, и, следовательно, Caltech и Intelecom подали в суд на Carolco Pictures на $3 миллиона. Для того, чтобы представить детализированные выводы математических уравнений, шоу использовало технику, которую его создатели назвали "алгебраическим балетом". Целью было избежать того, чтобы зрители "включали мозг в 60-циклический шум", не жертвуя строгостью; создатели намеревались, чтобы студенты могли узнать общую суть каждого вывода из анимации, а затем изучить детали, используя сопровождающий учебник. Один комментатор считает, что эти анимации "особенно полезны для того, чтобы дать учащимся субъективную информацию о динамических трехмерных явлениях, таких как магнитные поля". Создание компьютерной графики, необходимой для визуализации физических концепций, привело Блинна к изобретению новых методов моделирования облаков, а также виртуальных "объектов-блобби", известных как метаболы. Блинн использовал координаты вершин регулярных икосаедров и додекаедров для определения расположения линий электрического поля, излучающихся от точечных зарядов. Большую часть повествования озвучил актер Аарон Флетчер, который также играл Галилея Галилея в исторических сегментах. Некоторые части, такие как объяснения конкретных технических деталей, были рассказаны Салли Битти, исполнительным продюсером шоу. Эти видео были распространены вместе с дополнительными письменными материалами в пользу учителей и предназначались для использования в сочетании с существующими учебниками. Позже телекомпания Йоркшир Television выпустила переработанную версию для зрителей Соединенного Королевства, которая была выпущена в апреле 1991 года.
Финансирование
Annenberg/CPB предоставили финансирование для производства "Механической Вселенной". Шоу было одним из первых двенадцати проектов, финансируемых из первоначального обещания в 90 миллионов долларов, которое Фонд Анненберга дал Корпорации общественного вещания в начале 1980-х годов. Общая стоимость проекта составила примерно 10 миллионов долларов. Осенью 1986 года около 100 станций PBS транслировали "Механическую вселенную", а к осени 1987 года более 600 высших учебных заведений купили ее или лицензировали эпизоды для использования. Он заметил, что подробные данные о зрителях были трудно получить, но когда шоу транслировалось в Майами в субботу утром, продюсеры смогли получить рейтинги Nielsen. На самом деле, он занял второе место в своем временном интервале, обойдя детские мультфильмы на двух сетевых станциях. Только в округе Дейд было 18 000 верных семей, средний возраст зрителей был 18 лет, и половина из них были женщины. Однако мы редко получаем такую подробную информацию. Рецензенты также обнаружили, что "алгебраический балет" компьютерных анимационных уравнений слишком быстрый для подражания: "После короткого времени человек жаждет живого профессора, наполняющего доску уравнениями". Гораздо более восторженную оценку дал физик Чарльз Холброу, который сказал Оленику: "Эти материалы будут составлять главный визуальный образ физики на десятилетия". В редакционной статье газеты Los Angeles Times названо шоу "необыкновенным", анимация "прекрасная", и в шутку сказано, что "если дифференциальный анализ не является высшим тестом телевидения, он, безусловно, попадет в полуфинал любого соревнования". Гудштейн и Оленик сообщили, что молодым зрителям, как правило, нравится стиль "алгебраического балета" "намного больше, чем пожилым зрителям, которым неудобно из-за алгебраических манипуляций, которые они не могут полностью понять". В 1987 году в Университете Индианы в Блумингтоне было проведено исследование, в ходе которого было использовано 14 эпизодов "Механической вселенной" в качестве вводной части курса по ньютоновской механике, с в целом положительными результатами: эти ленты были особенно эффективны в представлении ньютоновской механики в исторической перспективе; драматизации исторического свержения аристотелевских и средневековых идей; иллюстрации разнообразного характера ученых и научных усилий; стимулирование интереса и энтузиазма студентов; и, благодаря отличной анимации, иллюстрации временного измерения определенных механических концепций. Сопутствующий текст [ ] был помещен в библиотечный резерв для курса, но не был широко использован студентами. Последующее исследование показало, что видео также могут быть полезны для объяснения физики профессорам в других областях. Отрицательные реакции, как правило, имели меньше общего с внутренним воспринимаемым качеством эпизодов, чем с временем, которое материал истории науки убрал из содержания, рассматриваемого как "инструкция по подготовке к критическому экзамену". Следователь вспоминал: "Некоторые студенты, думая, что материал из видеокассеты не будет рассмотрен на экзаменах, направились к дверям, когда свет погас! Чтобы противостоять этой тенденции, я начал использовать несколько тестовых вопросов, основанных на исторических или литературных деталях, обсуждаемых в видеокассетах. Некоторые студенты возмутились: "Что это, занятия поэзией?" Использование в классе продолжалось в 1990-х годах. Программа образования меньшинств в Калифорнийском университете в Беркли использовала сегменты эпизодов "Механической вселенной" (на лазерном диске) в рамках групповых дискуссий. В обзоре сериала в 1993 году историк науки заявил, что он использовал эпизоды в своих классах в течение нескольких лет, называя "Три закона Кеплера" и "Эксперимент Майкельсона-Морли" своими личными любимыми. Главным моментом фильма Кеплера является сегмент, в котором нам показан изысканный графический образ того, как Кеплер на самом деле выяснил, что орбиты планет эллиптические, а не круговые. Трудность проблемы, с которой он столкнулся, и изящество метода, который он использовал для ее решения, совершенно очевидны. Я не могу представить лучший способ представить это великолепное открытие, которое может легко показаться таким тривиальным. В 2005 году в статье "Учитель физики" предлагалось просмотреть "Механическую вселенную" в качестве подготовительного материала для преподавателей, которые пытаются пре...
Награды
В 1987 году "Трансформация Лоренца" (эпизод 42) была удостоена шестнадцатой ежегодной японской премии за образовательное телевидение. Другие награды, полученные The Mechanical Universe, включают Золотую премию 1986 года от Бирмингемского международного кинофестиваля, две награды "Синди" от Международной ассоциации аудиовизуальных коммуникаторов (1987 и 1988), Золотую премию (1985) и Серебряную премию (1987) от Международного кино- и телевизионного фестиваля в Нью-Йорке, Серебряные (1986) и Золотые яблоки (1987) награды от Национального фестиваля образовательных фильмов и видео, и Золотая доска (1985) от Чикагского международного кинофестиваля. Гудштейн получил в 1999 году медаль Оерстеда за его работу в области физического образования, в том числе "Механическая Вселенная". За его вклад в области компьютерной графики, включая анимацию для Cosmos, The Mechanical Universe и Project Mathematics!, Блинн получил стипендию МакАртура в 1991 году, а также премию Стивена А. Куна в 1999 году.
Портрет обрушения моста Такома Нэроузс
Как и многие вводные физические тексты, The Mechanical Universe приводит в качестве примера резонанса впечатляющий крах моста Tacoma Narrows Bridge в 1940 году, используя кадры катастрофы в эпизоде "Резонанс". Однако, как подчеркнули более поздние экспозиции, катастрофические колебания, которые разрушили мост, были вызваны не простым механическим резонансом, а более сложным взаимодействием между мостом и проходящими через него ветрами - явлением, известным как аэроэластичное флаттерование. Это явление является своего рода "самоподдерживающейся вибрацией", которая лежит за пределами режима применимости линейной теории внешне управляемого простого гармонического осциллятора.
Список эпизодов
В начальной последовательности, используемой для первых 26 эпизодов, название шоу указано как "Механическая Вселенная", тогда как последние 26 эпизодов называются "Механическая Вселенная и за ее пределами". Причина добавления объясняется Гудштейном в заключительном сегменте лекции последнего эпизода: В первой научной революции спор о толковании человеческой или божественной власти был заменен наблюдением, измерением, проверкой гипотез, все это с мощной помощью количественных математических рассуждений. И результатом всего этого была механическая вселенная, вселенная, которая неумолимо работала над своей судьбой в соответствии с точными, предсказуемыми механическими законами. Сегодня мы больше не верим в эту вселенную. Если я знаю точное положение какой-то частицы в какой-то момент времени, я не могу знать, куда она движется или как быстро. И это не имеет никакого значения, если вы скажете: "Хорошо, вы не знаете, куда это идет, но куда это действительно идет?" Именно такой вопрос не имеет научного смысла. Это природа мира, в котором мы живем. Это квантово-механическая вселенная. Сериал можно приобрести в Калтехе или просмотреть в онлайн-источниках, включая официальный канал Калтеха на YouTube. Caltech также разместил на YouTube серию коротких видео, сделанных Блинном, чтобы продемонстрировать компьютерную анимацию шоу на конференциях SIGGRAPH.
Сопутствующие учебники
Р. П. Оленик, Т. М. Апостол и Д. Л. Гудштейн (1986). Механическая Вселенная: Введение в механику и тепло (Cambridge University Press). Р. П. Оленик, Т. М. Апостол и Д. Л. Гудштейн (1986). За пределами механической вселенной: от электричества до современной физики (Cambridge University Press).