Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Уолтер Левин, Уоррен Гольдштейн

Глазами физика. От края радуги к границе времени

Walter Lewin,

with Warren Goldstein

FOR THE LOVE OF PHYSICS:

From the End of the Rainbow to the Edge of Time – a Journey Through the Wonders of Physics

Научный редактор Игорь Красиков

Издано с разрешения FREE PRESS, a division of SIMON & SCHUSTER Inc., и литературного агентства Andrew Nurnberg

© Walter Lewin and Warren Goldstein, 2011

© Перевод на русский язык, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2017

Эту книгу хорошо дополняют:

13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

Джон Гриббин

Квантовая вселенная

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Почему E=mc²?

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Простые вопросы

Владимир Антонец

Удовольствие от x

Стивен Строгац

Посвящается всем, кто вдохновил меня на любовь к физике и искусству.

Посвящается моему внуку Калебу Бенджамину Лурии.

Введение

Высокий и худой, одетый в голубую рабочую блузу с закатанными до локтей рукавами, брюки цвета хаки, сандалии и белые носки, профессор шагает туда-сюда в передней части лекционного зала, декламируя, жестикулируя и иногда ради усиления эффекта останавливаясь между длинными рядами классных досок и длинноногих лабораторных столов. Перед ним ряд за рядом возвышаются четыре сотни парт со студентами, которые время от времени ерзают на своих местах, однако глаза их словно прикованы к профессору; кажется, будто этот человек с огромным трудом сдерживает мощную энергию, пронизывающую все его тело. Высоким лбом, копной непослушных седых волос, очками и едва заметным европейским акцентом он довольно сильно напоминает дока Кристофера Ллойда Брауна из фильма «Назад в будущее» – такой же неугомонный, не от мира сего, слегка сумасшедший ученый-изобретатель.

Но это не гараж дока Брауна, а Массачусетский технологический институт (МТИ), самый известный технический университет США, возможно, даже мира, а лекцию сегодня читает профессор Уолтер Левин. Вот он останавливается и поворачивается к аудитории. «Итак, самое важное в любых измерениях – о чем, однако, не упоминается ни в одном учебнике физики для высшей школы, – профессор в негодовании широко разбрасывает руки с растопыренными пальцами, – это их неточность». Он делает паузу и пару шагов, давая студентам время, чтобы обдумать услышанное, затем останавливается и продолжает: «Любые измерения, которые вы делаете, без учета неточности попросту бессмысленны». Руки опять резко разлетаются в стороны, рассекая воздух для пущей выразительности. Очередная многозначительная пауза.

«Я буду повторять это вновь и вновь. Я хочу, чтобы вы услышали мои слова сегодня, проснувшись в три часа ночи». Он приставляет указательные пальцы к вискам и крутит ими, будто желая просверлить отверстия в своем мозге. «Любое измерение, которое вы сделаете, не помня о его неточности, абсолютно бессмысленно». Студенты смотрят на него в полном восторге.

Идет одиннадцатая минута первой лекции «Физика 8.01», видимо, самого знаменитого университетского вводного курса в физику во всем мире.

В декабре 2007 года New York Times поместила на первой полосе статью об Уолтере Левине, в которой назвала профессора «веб-звездой» МТИ, потому что его лекции по физике были доступны не только на сайте MITOpenCourseWare, но и на YouTube, iTunes U и Academic Earth. Лекции Левина МТИ разместил в интернете одними из первых, и, как показало время, это было очень мудрое решение. Девяносто четыре лекции – три полных курса плюс семь отдельных лекций – ежедневно прослушивают около трех тысяч человек, что значит миллионы просмотров в год. В числе их активных слушателей сам Билл Гейтс, который, по его собственному признанию – кстати, отправленному Уолтеру обычной почтой! – просмотрел весь курс 8.01, «Классическая механика», 8.02, «Электричество и магнетизм», и с нетерпением ждет 8.03, «Колебания и волны».

Слова «вы изменили мою жизнь» довольно часто встречаются в электронных письмах, которые профессор Левин получает каждый день от людей всех возрастов со всех уголков планеты. Стив, флорист из Сан-Диего, например, пишет: «В моей походке появилась новая пружина, и теперь я смотрю на жизнь глазами цвета физики». Мохаммед, студент из Туниса, сетует: «К сожалению, здесь, в моей стране, профессора, в отличие от вас, не видят в физике никакой красоты, и я от этого сильно страдаю. Они просто хотят научить нас решать типичные задачи, чтобы мы успешно сдали экзамен, и никогда не заглядывают дальше этого узкого горизонта». Иранец Сейед, уже получивший диплом магистра в двух американских университетах, признается: «Я никогда по-настоящему не радовался жизни, пока не узнал, как вы преподаете физику. Профессор Левин, вы действительно изменили мою жизнь. Ваше изложение предмета стоит в десятки раз больше, чем мы платим за обучение, и превращает НЕКОТОРЫХ, но не всех, преподавателей просто в кучку преступников. Потому что учить плохо – это преступление, за которое надо наказывать». Сиддхарт из Индии пишет: «Благодаря вам за всеми этими уравнениями я почувствовал физику. Ваши ученики, как и я, всегда будут помнить вас как очень-очень чуткого педагога, который сделал жизнь и учебу гораздо интереснее, чем они были в наших самых смелых мечтах».

Вышеупомянутый Мохаммед с энтузиазмом цитирует заключительную лекцию Левина по физике 8.01: «Надеюсь, вы всегда будете помнить из моих лекций то, что физика может быть невероятно интересной и красивой и что она повсюду, надо только научиться видеть и ценить ее красоту». Марджори, еще один фанат профессора, написала: «Я смотрю ваши лекции при любой возможности, иногда по пять раз в неделю. Я очарована вами, вашим чувством юмора, а больше всего – вашей способностью все доходчиво объяснять. В школе я ненавидела физику, но вы заставили меня полюбить ее».

Левин получает по несколько десятков таких писем каждую неделю, и на все он отвечает.

Знакомя слушателей с чудесами физики, Уолтер Левин творит волшебство. В чем же секрет профессора? «Я ввожу людей в их собственный мир, – говорит он, – мир, в котором они живут и который неплохо знают, хоть и не смотрят на него глазами физика… по крайней мере пока. Рассказывая, например, о волнах на воде, я прошу слушателей провести несколько экспериментов дома в ванной, чтобы они сами убедились, насколько тесно взаимодействуют с этим явлением. А еще с радугой. Именно за это я так сильно люблю физику: с ее помощью можно объяснить все что угодно. И это прекрасный, потрясающий опыт – и для моих слушателей, и для меня самого. Я прививаю своим студентам любовь к физике! Иногда, когда удается по-настоящему заинтересовать аудиторию, просто физически ее чувствуешь».

Во время лекции Левин может вскарабкаться на верхушку высоченной лестницы и потягивать клюквенный сок из стоящей на полу мензурки через длинную соломинку, составленную из лабораторных трубок. Порой он рискует получить серьезную травму, когда подставляет голову под довольно мощный удар небольшого, но весьма опасного груза, раскачивающегося в миллиметре от его подбородка. Он палит из винтовки по наполненным водой банкам из-под краски, пропускает через собственное тело электрический заряд в 300 тысяч вольт с помощью устройства под названием генератор Ван де Граафа, очень напоминающего прибор из лаборатории безумного ученого, героя научно-фантастического фильма, в результате его и без того растрепанные волосы просто встают дыбом. Профессор использует собственное тело как элемент экспериментального оборудования, при этом он любит повторять: «В конце концов, наука требует жертв!» В ходе одной из таких демонстраций профессор забирается на крайне неудобный металлический шар, который привязан к концу веревки, подвешенной к потолку лекционного зала (он называет эту конструкцию матерью всех маятников), и качается взад-вперед, пока студенты хором ведут подсчет колебаний. И все это он делает ради того, чтобы наглядно показать им, что число колебаний любого маятника в любой заданный период времени не зависит от веса, привязанного к его концу.

Сын Уолтера Эммануил (Чак) Левин, посещавший лекции отца, вспоминает: «Однажды я видел, как он вдыхал гелий, чтобы изменить свой голос. Чтобы достичь нужного эффекта – ведь дьявол, как известно, кроется в деталях, – он чуть не довел себя до обморока». Опытный художник, истинный мастер мела и учебной доски, Левин с завидной легкостью рисует на ней геометрические фигуры, векторы, графики, астрономические явления и – животных. Его метод рисования пунктирных линий так сильно очаровал нескольких студентов, что они выложили на YouTube забавное видео под названием «Некоторые из лучших линий Уолтера Левина», состоящее из отрывков его лекций. В ролике профессор в разные моменты лекций курса 8.01 рисует на доске свои знаменитые пунктиры. (Вы можете посмотреть это видео по адресу www.youtube.com/watch?v=raurl4s0pjU.)