Физика вокруг нас
Текст: Динар Хайрутдинов | 2018-04-23 | 324
У большинства людей воспоминания об уроках физики, наверное, до сих ассоциируются со скучными формулами, типовыми задачами и хрестоматийным яблоком, падающим на голову Исаака Ньютона. При этом мы нередко забываем о том, что физика – это наука о мире вокруг нас, практически обо всём, что окружает людей в их повседневной жизни. Известный американский учёный, преподаватель и популяризатор физики Луис Блумфилд нашёл способ преподавать её интересно, увлекательно и понятно даже для тех, кто не обладает склонностями к изучению естественных наук. О своём опыте преподавания и популяризации физики, а также о роли этой науки в нашей жизни Луис Блумфилд рассказал нашему изданию.

– Профессор Блумфилд, вы хорошо известны как популяризатор физики и человек, преподающий её гуманитариям. При этом вы уже очень долгое время практикуете подход, согласно которому всё стараетесь объяснять доступным и понятным языком на конкретных жизненных примерах, знакомых каждому. Это достаточно сильно отличается от стандартного подхода с его типовыми задачами, когда автомобиль массой М едет из пункта А в пункт Б со скоростью С, ну и так далее. Оглядываясь на свой многолетний опыт, расскажите, действительно ли ваш подход делает физику более простой для понимания, и насколько вообще такая сложная на первый взгляд дисциплина поддаётся объяснению для людей, далёких от естественных наук?

Тот стандартный подход, который вы упомянули, я называю физикой для физиков. Это самый обыкновенный курс по физике, который читают всем студентам вне зависимости от их специальности – физикам, медикам, инженерам, гуманитариям. Акцент в таком курсе, как правило, делается на формулы и расчёты. В рамках такого курса вы идёте от одного закона физики к другому и решаете связанные с ним задачи. Лишь изредка в этих задачах появляется какая-то связь законов и формул с реальным миром. Это то, что физики привыкли преподавать, и очень часто они сами изучали физику именно таким способом. Но такой способ имеет очень мало общего со становлением физики как науки, с тем, как открывались все эти законы. К сожалению, очень немногие, закончив этот курс, действительно приходят к понимаю всех основ физики. И больше всего страдает концептуальная сторона науки.

Помню, как я сам, завершив университетский курс физики с хорошими оценками, очень многих важных концепций не понимал совсем. Я хорошо умел делать расчёты, но не всегда понимал сути того, что происходит, и мог очень мало что объяснить. Поэтому сегодня я выбрасываю из курса всё лишнее и преподаю физику в контексте реальных вещей и повседневных явлений, с которыми знакомы все обычные люди. Ведь физика изначально родилась именно из того, что человек пытался разобраться в том, почему происходят те или иные явления. А расчётов и формул в моём курсе очень мало – я считаю, что они чаще отвлекают от сути, чем помогают. Хотя концептуальная часть физики труднее для понимания, чем математическая, но именно в этом настоящая физика и заключается: она не в формулах и вычислениях, а в идеях, концепциях. Это как раз то, о чём я пытаюсь рассказать обычным людям. Я всегда начинаю с самых азов, пытаясь представить, каково это – совсем не понимать физики, и только потом от простых вещей перехожу к более сложным, стараясь выстраивать определённое повествование, ведь любую науку можно рассказать как увлекательную историю.

© Из архива Виргинского университета

– Известному американскому писателю Курту Воннегуту принадлежит фраза: «Если учёный не умеет популярно объяснить восьмилетнему ребёнку, чем он занимается, значит, он шарлатан». Вы согласны с таким утверждением?

Согласен. Может быть, это высказывание немного резковато, но оно не далеко от истины. Многие физики говорят, что не могут объяснить то, чем они занимаются, обычным людям, но я думаю, что это лишь потому, что они не хотят даже попытаться этого сделать. Фразы вроде «О, это квантовая физика, вам этого не понять» хоть раз в жизни слышали многие. Что тут скажешь? Так говорят те, кому просто лень объяснять. При этом не существует ни одной объективной причины не объяснить какую угодно концепцию, будь то чёрные дыры, бозон Хиггса или что-то другое. Просто нужно всегда с уважением относиться к своей аудитории и понимать, что в данном случае вы работаете для неё, а не для других физиков.

– А в каком возрасте лучше всего начинать постигать эту науку?

Думаю, что в довольно юном – в семь-восемь лет. Так рано детям её стоит изучать не для того, чтобы стать юными Стивенами Хокингами, а для того, чтобы просто получить первое в жизни полноценное представление о том, как всё в природе устроено. И учителя должны не просто показывать детям забавные физические опыты и фокусы, а давать им понимание того, что стоит за этими опытами, почему именно так всё работает. А уже когда дети станут постарше, они, если захотят, смогут начать как-то применять эти знания.

– Можете привести какой-нибудь пример, который вы используете, объясняя те или иные физические законы?

Да, допустим, такой. На первом же занятии с группой новых студентов, многие из которых до этого изучали «физику для физиков», я задал вопрос: «Может ли роторная газонокосилка с быстро вращающимся режущим диском разрезать травинку, которая не удерживается корнями в земле, а просто лежит (точнее стоит) на поверхности?» На что студенты дружно ответили: «Нет, газонокосилка такую траву косить не может». Но на самом деле это, конечно, не так. Всё дело в инерции. Травинки неподвижны, и они останутся такими до тех пор, пока им не придать движение путём, например, толчка. А режущий диск, будучи очень острым, этого не делает – он мгновенно разрезает травинки, проходя сквозь них. И я шаг за шагом демонстрирую это студентам. Когда я заканчиваю, они уже понимают, что в основе работы газонокосилки лежит конкретное физическое свойство, которое называется инерцией. За счёт этого же свойства могут работать, к примеру, кухонные приборы – кофемолки, кухонные комбайны, блендеры, электрические мясорубки, овощерезки. Они все работают за счёт инерции.

– В интернете можно найти множество отзывов от ваших студентов. И надо сказать, что о ваших занятиях они остаются очень высокого мнения, но многие при этом отмечают такую особенность: когда они только приходят к вам на занятие, то благодаря вашему стилю подачи материала всё кажется простым и понятным. Но учиться при этом и тем более впоследствии сдавать вам экзамен оказывается делом достаточно тяжёлым – для этого приходится проделать очень много работы. Почему, на ваш взгляд, это происходит?

Вещи, о которых вы говорите, звучат очень знакомо – я сам уже неоднократно слышал такое от своих студентов. Они часто говорят мне, что выходят из класса абсолютно уверенными в том, что всё поняли, но через какое-то время это понимание рассыпается в прах. На мой взгляд, есть две основные причины этого. Первая: студенты не всегда понимают, что физику нельзя изучать пассивно, важно всё обдумать самому, самостоятельно прийти к каким-то выводам. И когда они выходят из аудитории после моей лекции, их задача – самим поразмышлять о тех законах, о которых только что рассуждал я. Теперь им нужно изучить всё то же самое ещё раз, только уже самостоятельно, рассказывая самим себе о том, что они только что услышали. Может быть, имеет смысл обсудить только что изученный материал с друзьями, а может быть, просто подойти ко мне и переспросить, поговорить со мной ещё раз. То есть чтобы полностью понять материал, они должны ещё раз пройти через тот же мыслительный процесс, рассмотреть все те же вопросы, возможно, даже не один раз. А вторая причина возникновения таких трудностей проявляется, когда я прошу студентов применить те идеи, о которых я говорю в классе, к совершенно новой задаче. Например, если я говорил о том, как газонокосилка срезает траву, а потом спрашиваю их о том, как кухонный комбайн размельчает пищу, некоторым студентам кажется, что речь идёт уже о чём-то совершенно другом. И они говорят: «А мы этого не проходили! Вы ни разу не говорили про кухонные комбайны на лекциях! Как вы можете нас об этом спрашивать?» А я спрашиваю их об этом, чтобы они учились включать логику и решать даже те задачи, которых они до этого не встречали, но на базе тех знаний, которые у них уже есть. Но вообще это совершенно нормально, что не все студенты сразу понимают такого рода вещи. Просто у некоторых мышление пока не заточено под физику, но если они приложат усилия, то тоже смогут её освоить.

© Из архива Виргинского университета

– А вообще, нужна ли физика тем, кто в будущем не планирует заниматься ею специально?

Объяснять, как всё устроено и работает, то есть преподавать физику для неспециалистов, стало миссией моей жизни. И я это делаю, потому что физика живёт не только в лаборатории – она повсюду вокруг нас и даже у нас дома. Бывает очень полезно понимать, как в ваш дом поступает вода, почему её напор бывает сильным или слабым, как устроена плита, почему нагревается чайник и в чём разница между приготовлением пищи путём выпекания и путём жарки. Всё это относится к области физики, и если вы не понимаете всего этого, то для вас эти вещи останутся загадкой, и вам всю жизнь придётся готовить пищу исключительно по рецептам из интернета или нанимать ремонтных рабочих, даже чтобы устранить небольшую проблему с розеткой. Некоторые люди ведь не понимают даже, казалось бы, элементарных вещей.

Практика показывает, что без знания физики невозможно принимать даже простых политических решений. Например, США недавно, по сути, отвернулись от такой проблемы как глобальное потепление и изменение климата. И это очень серьёзная, на мой взгляд, ошибка, ведь объяснить, почему происходит изменение климата, не так уж и сложно. Но многие люди не понимают этого и не верят в глобальное потепление. И они обрекают если и не себя, то уж точно своих детей и внуков на очень непростые условия жизни в ближайшем будущем.

– То есть можно сказать, что физика – это наука, помогающая нам выжить? Ведь и вся техника безопасности – это, по сути, та же самая физика, верно?

Думаю, что верно. Но при этом если вы понимаете, что нельзя совать пальцы в розетку – это одно. А если знаете, почему – то уже совсем другое. Многие пытаются полагаться на интуицию, и иногда это даже помогает, но бывает и так, что она, наоборот, вводит нас в заблуждение. Например, многие думают, что для того, чтобы транспортное средство продолжало двигаться, нужно толкать его или жать на газ. На самом же деле толчок нужен, чтобы изменить ход транспортного средства. А продолжать двигаться машина будет и без этого. Отсюда возникают ошибки – например, водители начинают резко давить на тормоз перед опасным поворотом на льду. А это, пожалуй, одно из худших решений, которое можно принять в такой ситуации. Конечно, современные автомобили разработаны таким образом, чтобы свести к минимуму последствия подобных ошибок, но спасает это далеко не всегда.

© Из архива Виргинского университета

– Какими качествами, по-вашему, должен обладать физик или в принципе человек, стремящийся хорошо разбираться в физике?

Логическим мышлением и навыками решения задач. Когда я преподаю физику своим студентам-гуманитариям, я, конечно, даю им какое-то количество чисто физических знаний, но куда более важной частью своего курса я считаю задания, направленные на развитие в студентах логического мышления и умения решать практические задачи любого характера. Ну а для физиков эти две способности являются тем, без чего в мире науки им не выжить вообще. Многие выпускники физических специальностей через какое-то время прекращают заниматься физикой, потому что в этой сфере на самом деле не так много востребованных профессий. Но они без проблем находят работу в тех организациях, которым просто нужны люди, умеющие рационально мыслить и решать сложные задачи практически любой направленности.


© Из архива Луиса Блумфилда

Профессор Блумфилд демонстрирует студентам, как некоторые обычные вещи флуоресцируют при воздействии ультрафиолетового света. На фото он светит ультрафиолетовым фонариком на рубашку.

– А занятие физикой сегодня чем-то отличается от того, что было в 1980-х, когда вы только начинали?

Я думаю, что заниматься наукой стало труднее, потому что все хотят делать что-то новое, чего никто раньше не делал. Но спустя какое-то время ты вдруг понимаешь, что почти всё «новое» уже давно сделано. Поэтому становится всё труднее и труднее найти то, чем никто до тебя ещё не занимался. Но даже если вам удаётся найти какую-то незаполненную нишу, то эксперименты, особенно в физике, сейчас гораздо более дорогостоящи, чем раньше, для их проведения требуется больше людей и больше технологических средств, поэтому и расходы университетов на подготовку молодых учёных возрастают до небес! Вы не представляете, насколько дорого стало готовить сейчас учёных. По крайней мере в экспериментальной и прикладной науке. Теоретической физикой можно, конечно, заниматься за куда меньшие деньги, но экспериментальная работа становится безумно дорогой.

© Из архива Виргинского университета

– Скажите, а что вам больше нравится: научная деятельность или преподавание и просветительская работа? Или, другими словами, что интереснее: открывать новое или рассказывать о физике тем, кто мало что о ней знает?

В университет я впервые пришёл из известного научно-исследовательского центра под названием Лаборатория Белла. Тогда я думал, что сосредоточусь на научных исследованиях, а преподавание будет лишь неприятной помехой – чем-то, что приходится делать по долгу службы. Но впоследствии преподавать мне очень понравилось, и я думаю, что в конечном итоге моя преподавательская и просветительская деятельность оказалась более полезной, чем научная. И это несмотря на то, что исследования, которыми я занимался лет 20-30, получили признание в научном сообществе. Но эти исследования всё же не произвели революции, не изменили мир к лучшему. Поэтому я думаю, что преподавание для меня стало в итоге более важным видом деятельности. Тем более что теперь мне это очень нравится, и я люблю объяснять физику другим людям. Впрочем, в последнее время я возобновил и занятия наукой, правда, теперь я занимаюсь совершенно не тем, чем раньше. Мои нынешние изыскания гораздо более практичны, и я занимаюсь ими сам, в лаборатории, то есть выступаю не в качестве управленца, организующего исследовательскую деятельность, а в качестве исследователя. И это здорово – я получаю от исследований большое удовольствие, несмотря на то, что те вещи, которые я пытаюсь делать, дают результат не сразу, а занимают целые годы.

© Из архива Виргинского университета

© Из архива Луиса Блумфилда


– А какими научными проектами вы занимаетесь сейчас?

Моя научная работа посвящена разработке особого вида силикона, обладающего памятью формы. Обыкновенный силикон или любая резина мгновенно возвращается в изначальную форму, если вы, нажав, деформируете его, а потом отпустите. А мой материал запоминает новую форму, некоторое время остаётся в ней, и только потом начинает возвращаться к изначальной. Это очень полезное свойство. К примеру, из этого материала мы изготавливаем беруши. Изначально они имеют вид луковицы, но нажатием пальцев им можно придать продолговатую форму, чтобы они легко поместились в уши. После этого они начинают постепенно возвращаться в изначальную форму. Но как только силикон натыкается на преграду в виде ушного канала, он сразу прекращает менять форму и «запечатывает» ухо. Этот материал очень мягкий и не стремится во что бы то ни стало вернуться в первоначальную форму, поэтому в конечном итоге он остаётся в ушах, с одной стороны, обеспечивая их надёжную защиту, а с другой – являясь для вас максимально комфортным, поскольку полностью воссоздаёт форму вашего слухового канала. Думаю, что это лучшая защита для ушей, которую только можно себе представить – и от звуков, и от шума, и от воды. Сейчас мы как раз пытаемся вывести этот продукт на рынок. С помощью Kickstarter’a мы собрали уже почти всю необходимую для этого сумму.

Понятно, что благодаря своим свойствам данный материал может быть очень широко востребован в индустрии, например, в обувной промышленности. Поэтому уже сейчас мы работаем над ассортиментом продукции, которая может быть произведена с его помощью. Работы здесь много, и мы достаточно чётко понимаем, чем будем заниматься в ближайшие несколько лет.

– Расскажите, пожалуйста, о вашей книге «Как всё работает. Законы физики в нашей жизни». Какие цели вы преследовали, создавая её, и насколько, по вашему мнению, эти цели были достигнуты?

Книга выросла из курса, который я разработал ещё в 1991 году. Именно тогда я начал преподавать физику неспециалистам, и мне хотелось сопроводить курс книгой, причём задачей было объяснить в ней реальные законы и постулаты физики, а не просто сделать сборник красивых картинок и отрывков из истории науки. Нет, только настоящая наука! Но в итоге получилась книга, подходящая не только для студентов, но и для простых читателей, и рассказывающая о том, как с точки зрения физики устроен мир вокруг нас. В ней я попытался объяснить столько научных концепций, на сколько у меня хватило времени. Но в ходе подготовки этого пособия я и сам узнал много нового! Потому что физики только думают, что знают очень много. На самом деле нет! Некоторые нюансы, касающиеся, например, полётов на летательных аппаратах, сложнее, чем их понимает большинство физиков – я уж точно не понимал, пока не взялся за эту книгу. Поэтому для её подготовки я читал труды по аэродинамике, написанные инженерами, которые действительно знают, как всё это работает, до мельчайших подробностей. То же касается и многих других тем. А потом, набравшись новых знаний, я попытался объяснить все эти вещи в обычном для себя стиле, с помощью понятных любому человеку вещей.

© Corpus Books

Луис Блумфилд на презентации своей книги «Как всё работает. Законы физики в нашей жизни» в российском издательстве Corpus в декабре 2016 года.

© Из архива Луиса Блумфилда

Вместе с переводчиками и куратором издания.

– У вас также есть и интернет-блог с аналогичным названием – «Как всё работает». Вы сами занимаетесь его обновлением?

Да, блог я веду сам, но я не работал над ним уже достаточно долгое время. Он был очень полезен в 90-е и, возможно, в начале 2000-х; в то время он был очень посещаемым, потому что в сети существовало мало ресурсов подобного рода. И если вам хотелось, допустим, понять, как работает микроволновая печь, вы обязательно открывали мой сайт – другого выбора у вас практически не было. А сегодня подобных мест в интернете очень много, и мне с ними уже сложно конкурировать. Про то, как работает микроволновка, можно прочесть на тысяче других сайтов. Поэтому сейчас работу над блогом я уже не считаю таким уж полезным расходованием своего времени.

– Но в архивах вашего блога, тем не менее, уже около 2 тысяч вопросов, которые прислали вам ваши читатели. О чём они спрашивали чаще всего?

Вопрос о микроволновой печи был как раз одним из самых популярных. Дело в том, что для многих людей микроволновые печи – это загадка. Мало кто знает, как они на самом деле работают. Многие спрашивают, насколько они опасны, насколько опасна приготовленная в них еда, и что может пойти не так при приготовлении пищи. Я отвечал на сотни подобных вопросов, уверяя своих читателей, что микроволновые печи нисколько не опаснее других электроприборов и что еду они никак не отравляют.

– А какие наиболее неожиданные, но при этом жизненные вопросы вам задавали? Были ли такие из них, которые ставили вас в тупик?

На самом деле, моими любимыми письмами были не вопросы, а истории, которые люди присылали, чтобы подтвердить какие-то из моих наблюдений. Например, раньше я часто объяснял студентам, как работают старые телевизоры – те, которые в основе своей конструкции имеют электронно-лучевую трубку. И я всегда говорил о том, что в таких телевизорах накапливается заряд высокого напряжения, потому что принцип их работы заключается в том, что на экран выбрасывается огромное количество электронов с очень высокой энергией. И один из моих читателей прислал мне письмо, в котором на собственном примере показал, что напряжение в ЭЛТ-телевизорах действительно очень высокое! Он написал мне, как, показывая такой телевизор своему другу, вскрыл его и указал на то место, к которому нельзя прикасаться рукой. Но при этом всё же коснулся его карандашом. В карандаше, как вы знаете, имеется проводящий электричество графит и бедняга, разумеется, получил невообразимый удар током – электричество прошло через его тело и вышло в районе губы – из неё буквально посыпались искры! К счастью, он догадался бросить карандаш и всё обошлось без серьёзных последствий. И вот такие истории мне присылали постоянно.


© Eris Qian

Профессор Блумфилд на выпускной церемонии Виргинского университета 2012 года. Вот уже на протяжении 20 лет он каждый год выступает с речью к выпускникам – в одежде Стэнфордского университета, где он получил степень доктора. На его груди – «Медаль Джефферсона» (Томас Джефферсон – третий президент США – является основателем Виргинского университета).

– В заключение дайте, пожалуйста, какой-нибудь совет тем людям, которые пока не очень хорошо знакомы с физикой, но которые поняли, что в жизни она им точно не помешает. С чего им лучше начать?

Вокруг довольно много книг, посвящённых физике и предназначенных для самого широкого круга читателей. Но начинать лучше всего, пожалуй, с изучения чего-то того, что вы очень любите. Например, если вы увлекаетесь музыкой, почитайте что-нибудь о физических аспектах музыки, физических свойствах музыкальных звуков, об акустике и т.п. Потому что, если есть что-то, чем вы уже увлечены, то, скорее всего, и физические аспекты этого увлечения вы освоите быстро! Ну а с материалами в век интернета проблем уж точно возникнуть не должно.


Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте