Щоб зрозуміти фізику, потрібно розповідати та слухати історії
Авторка: Джеймі Звірздин (Jamie Zvirzdin) досліджує космічні промені надвисокої енергії в рамках проєкту Telescope Array («Масив телескопів») в Університеті штату Юта. Вона є авторкою книжки «Субатомне письмо. Шість фундаментальних уроків, як зробити мову важливою» (2023) і веде щомісячну колонку про науку в газетах Центрального Нью-Йорка. Її есеї про науку з’являлися в The Atlantic, Orion Magazine, Brevity Magazine, The Kenyon Review та інших виданнях.
Не лякайтеся фізики: вона складається з історій та метафор. Опануйте їх — і ця галузь відкриється вам.
У своїй лекції «Дві культури» (1959) Чарлз Персі Сноу (Charles Percy Snow) стверджував, що уявна прірва між науковцями та літературознавцями є вужчою, ніж прийнято вважати. Обидві групи фундаментально прагнуть зрозуміти та виразити відносини, які структурують реальність — чи то людські взаємини в літературі, чи фізичні взаємозв’язки в науці.
У 1961 році, відразу після цієї лекції, вийшла дитяча книжка «Чарівна будка» Нортона Джастера (Norton Juster), смішна, сповнена гри слів, алегорична фантазія, яка висувала той самий аргумент, але таким чином, що захоплювала читачів аж до 1990-х років, коли я вперше зіткнулася з цією історією: хлопчик Майло, вже обтяжений дорослою нудьгою та екзистенційним відчаєм, береться за пошуки принцес Рими та Розуму, щоб об’єднати їх з двома сварливими братами: Королем Азазом Повнотекстовим, правителем Диктополісу, і Матемагіком, правителем Цифрополісу.
Король Азаз стверджує, що слова важливіші за числа; Матемагік наполягає на зворотньому. Врешті-решт брати примиряються і відбудовують місто Мудрости за допомогою Рими та Розуму, а Майло повертається у свій власний світ з оновленою цікавістю до слів і чисел. У 13 років я вже була переконана в цінності міждисциплінарности.
Зрештою, я дізналася, що історії — це не просто спосіб розповідати про науку; вони є її невід’ємною частиною, фактично — складником наукової діяльности. Моя власна історія поєднання цих двох культур — у моєму випадку літературного письма та фізики частинок — ускладнювалася третьою культурою — релігією. Я виросла в Юті в часи, коли жінки мормони могли мати кар’єру фізика, технічно, але слідувати цьому шляху було важко, самотньо і вважалося загрозою традиційній моделі сім’ї. Нас заохочували здобувати освіту, але не готуватися до конкурентоспроможних кар’єр, а до традиційних ролей дружин і матерів. Цей світогляд, де освіта жінки є лише запобіжним заходом, якщо її чоловік не може працювати, ілюструє те, що спічрайтер Джорджа Буша Майкл Ґерсон (Michael Gerson) назвав «легкою упередженістю низьких очікувань». Це менталітет, який придушує амбіції та цікавість. Насправді, у моєму світі амбіції жінки означали гордість, егоїзм, гріх.
Все ж мені подобались мої просунуті шкільні заняття з математики та фізики. З друзями я вигравала командні змагання з фізики та компʼютерного програмування. Ще будучи підлітком, я навіть стажувалась три літа підряд з групою науковців, що досліджувала космічні промені (англ. Cosmic Ray Research Group), в Університеті штату Юта та працювала з детектором високої роздільної здатности «Око мухи» (англ. High Resolution Fly’s Eye), що виявив частинку «О-мій-Боже» (англ. Oh-My-God particle) у 1991 році. Цей рідкісний космічний промінь надвисокої енергії — ймовірно, протон — був уламком атома, що рухався зі швидкістю, близькою до швидкости світла, і бомбардував наш детектор абсурдною кількістю енергії. Ця подія кинула виклик фізичним моделям і порушила нові питання про межі енергії у Всесвіті, представивши таємничу історію космосу, яку я хотіла дослідити.
Незважаючи на мій інтерес до космічних променів, «третя культура» панувала над усім. Тиск на мене був невидимим, але відчутним: під час мого першого семестру в Університеті Бригама Янґа (УБЯ) в Юті у 2002 році, керуючись не розумом чи римою, а страхом прогнівити Бога і свою Церкву, я вийшла з вступного заняття з фізики — єдина жінка серед присутніх — і змінила спеціяльність з астрофізики на англійську мову. Занурившись в історії та синтаксис, я сумувала за фізикою, але вирішила максимально використати свою освіту перед одруженням. Курси редагування та лінгвістики в УБЯ були справді чудовими, і я навчилася знаходити закономірності в природній мові та вдосконалювати їх, щоб принести користь читачам і підвищити якість комунікації. Я думала, що редагування — це те, чим я можу займатися вдома з родиною. Можливо, я навіть наважуся стати науковим редактором.
Перенесемося на 10 років вперед, і це саме те, що я робила, поки мій малюк спав. Як позаштатна редакторка у видавництві Taylor & Francis, я любила читати підручники з STEM (від англ. Science, Technology, Engineering and Mathematics — природничі науки, технології, інженерія, математика) для старших класів; вони були настільки близькі до фізики, наскільки я могла впоратися з ними. Шукаючи помилки в правописі, я засвоювала закономірності математики та фізики, навіть якщо не повністю розуміла їх.
Але я хотіла, хоча це бажання все ще було небезпечним. Я почала писати художні твори та есеї, і мої розчарування вихлюпувалися на сторінки. Однак, як тільки мій син прокидався, я зосереджувалася на ньому. Як і я, він мав природну схильність до літер і цифр, і ми годинами сміялися і вчилися разом. Його нестримна цікавість розпалювала мою власну.
У жовтні 2012 року, все ще борючись із глибоко вкоріненими, але самообмежувальними шаблонами мислення, я взяла інтерв’ю у психологині Ланей Валентайн (LaNae Valentine), яка керувала Центром жіночих послуг та ресурсів УБЯ. Вона розповіла мені, що консультантам для студенток було чітко наказано використовувати слово «освіта» замість «кар’єра» — упущення, відображене в назві самого центру. За її словами, це було неприємно, але вона підкорилася.
Відверте замовчування стало для мене одкровенням. Фемінізм другої хвилі почався і закінчився, але його відлуння дійшло до мене лише тепер. Мій чоловік прочитав книжку Симони де Бовуар «Друга стать» (1949), йому сподобалося, і він дав її мені, що викликало море важливих і складних запитань. Що у мене добре виходило, до чого мене тягнуло, чим я захоплювалася? Чи не запізно розвивати занедбані раніше навички? Визнання самообмежувального характеру історії з моєї Третьої культури призвело до прориву: як і Ендрю, я могла серйозно ставитися до себе і своєї кар’єри, і при цьому залишатися чудовою дружиною і матір’ю.
Протягом наступних 10 років я почала вдосконалюватися в письмі, потім у науковому стилі мовлення, потім у фізиці. Я боролася з четвертою культурою: життям дружини офіцера дипломатичної служби США. Переїжджаючи з Вашинґтона на Маршалові острови, потім до Монреаля, Вірджинії та Нікараґуа, мені доводилося активно протистояти почуттю втрати, яке приходить до тих, хто підтримує роботу чоловіка за кордоном. На моє щастя, Ендрю підтримував мої особисті та професійні амбіції, тож я могла розвиватися разом з його кар’єрою, навіть коли ми переїжджали з країни в країну кожні два-три роки. Я почала публікувати наукові есеї і викладати наукове письмо в Університеті Джонса Гопкінса в штаті Мериленд, причому обидві ці речі можна було робити дистанційно.
У квітні 2018 року в Нікараґуа спалахнуло політичне насильство, і сім’ї працівників посольства були відправлені з міркувань безпеки назад до США. Ми з Максом евакуювалися до штату Юта, а Ендрю залишився в Манаґуа як член основного персоналу. Намагаючись досягти результату за цих обставин, я повернулася до роботи в групі з дослідження космічних променів, яка тепер відома як проєкт Telescope Array («Масив телескопів»). У розпал катастрофи я повернулась до початку своєї історії.
Зліва направо: Джон Метьюз (John Matthews) з Telescope Array, авторка Джеймі Звірздин та її колишній науковий керівник Стен Томас (Stan Thomas) у кав’ярні Університету штату Юта
Відтоді я намагаюся надолужити згаяний час. Я не могла вплинути на диктатора в Нікараґуа, але я могла вирушити в пустелю Юти лагодити детектори і керувати телескопами, щоб допомогти розгадати таємницю космічних променів надвисокої енергії. Возз’єднавшись з Ендрю в жовтні 2018 року після його перебування в Нікараґуа, я взялася за роботу над проєктом Telescope Array віддалено з Мериленду, пишучи програми, аналізуючи дані і навіть керуючи телескопами під час нічних змін зі свого робочого комп’ютера. Зараз я вже більш ніж на півшляху до закінчення магістратури з прикладної фізики в Університеті Джонса Гопкінса — дистанційної програми, ступінь з якої я можу здобувати з нашого нинішнього місця роботи в Німеччині.
Мій нетрадиційний шлях до фізики дає важливе уявлення для тих, хто може почуватися виключеним з цієї галузі, або бути заляканим її складністю: за своєю природою, фізика — це, по суті, словесна проблема. Проблема оповідання історій. Особистих історій, історій минулого, уявних експериментів, формальних доведень, метафор, повчальних історій: оточіть себе різноманітними історіями, вплетеними у фізику, і ви знайдете міцну опору, куди б ви не ступили в цій галузі.
Деякі з найкращих фізиків і вчителів фізики є ще й чудовими оповідачами: вони розповідають дивовижні історії про те, що трапилося з ними — як реальні, так і, можливо, трохи прикрашені для комічного ефекту.
Одну з таких історій розповіла моя подруга Джигі Кім (Jihee Kim), яка зараз є постдоком у Брукгейвенській національній лабораторії в Нью-Йорку. Коли вона тільки стала докторанткою і почала брати участь у проєкті Telescope Array, її попросили сфотографувати один з наших детекторів флуоресценції. Розміщені у темних приміщеннях детектори використовують великі дзеркала для вловлювання слабкого ультрафіолетового випромінювання, що відбувається під час дощів космічних променів в атмосфері у безмісячні ночі. Не усвідомлюючи потенційної небезпеки, Кім трохи відчинила двері до темного приміщення, аби впустити більше денного світла для того, щоб зробити фото. Майже одразу вона відчула запах горілого — непряме сонячне світло відбилося від дзеркала і тепер фокусувалося, наче за допомогою збільшувального скла, на кабелі, що лежав неподалік.
Щоб переконатися, що ніхто більше не зробить такої помилки, наш бос, Джон Метьюз (John Matthews), встановив знаки «НЕБЕЗПЕКА» чорного, червоного і білого кольорів, застерігаючи студентів ніколи не допускати сонячне світло до дзеркал телескопа. Він додав зображення обличчя, що плавиться, з фільму «У пошуках втраченого ковчега» — на випадок, якщо комусь знадобиться додаткове нагадування.
Нам потрібно чути історії людей, які долають труднощі великі і малі, які прориваються крізь нудьгу і цинізм, сором’язливість і знеохочення, які діють чесно і мужньо, які смиренно просять і отримують допомогу, щоб просунути фронт знань. Я сподіваюся, що моя історія спонукає більше жінок і представників меншин взяти найкраще з культур, до яких вони належать, і дозволити собі увійти в академічні двері, які, як вони думали, були для них зачинені. Працюйте наполегливо і розумно, і записуйте свої історії для інших.
Джигі Кім і Джеймі Звірздин з детектором флуоресценції проєкту Telescope Array поблизу Дельти, штат Юта, двері приміщення надійно закриті. Фото надала авторка
Окрім особистих анекдотів, історії, засновані на досвіді, які ми часто розповідаємо у фізиці, моделюють сам науковий метод. Розгляньмо австрійського фізика Віктора Геса (Victor Hess), який у 1911–1912 роках провів серію ризикованих польотів на повітряних кулях, найвідоміший з яких досяг висоти 5 350 метрів — приблизно на рівні базового табору Евересту — для вимірювання інтенсивности випромінювання в атмосфері.
У міру того, як атмосфера ставала дедалі розрідженішою, Гес з двома членами екіпажу дивився крізь окуляри двох електроскопів. Він ретельно рахував, як часто піднімалися волокна електроскопа, що означало, що вони виявляли випромінювання від заряджених частинок (іонів) в атмосфері. Він виявив, що на найбільшій висоті атмосфера мала у 22–24 рази більше іонів, ніж на поверхні землі, що означало значне збільшення інтенсивности випромінювання. Сміливість Геса — він також здійснював польоти на повітряній кулі вночі, щоб виключити вплив Сонця — призвела до відкриття космічних променів, доводячи, що Земля постійно бомбардується цими високоенергетичними частинками з космосу. За свої зусилля він отримав Нобелівську премію з фізики в 1936 році.
Віктор Гес повертається з польоту на повітряній кулі 7 серпня 1912 року. Зображення надано Американським Фізичним Товариством
Ця історія знайомить нас з космічними променями, так, але також слідує класичній структурі короткого оповідання: 7 серпня 1912 року о 6:12 ранку з Аусиґа, нині чеського міста Усті-над-Лабем (місце дії), Гес і його команда (персонажі), цікавлячись цим таємничим випромінюванням (експозиція), вирішили слідувати інтуїції (зав’язка) і піднятися на повітряній кулі, щоб зібрати дані (розвиток дії), зробивши революційне відкриття (кульмінація), приземлившись безпечно о 12:15 в Бад-Заров-Пісков, Німеччина, і дійшовши важливих висновків, які були підтверджені і визнані (розв’язка).
Сюжетна арка резонує з самим науковим методом. Ми починаємо ідентифіковувати проблеми, які потребують пояснення або дослідження, і збираємо дослідження і матеріяли. Сформулювавши запитання, ми пропонуємо гіпотезу, яку можна перевірити. Ми розробляємо та проводимо експеримент для перевірки гіпотези, ретельно збираючи дані і контролюючи змінні настільки ретельно, наскільки це можливо. Ми аналізуємо та інтерпретуємо дані, щоб зрозуміти, чи підтверджують вони нашу гіпотезу, чи спростовують, і на основі цього робимо висновок та повідомляємо про результати. Ця дорожня карта — корисний зразок для наслідування. Це критично важливо.
Сила таких наукових історій полягає в їх конкретних деталях, які не лише допомагають нам бути цікавішими вчителями фізики, а й кращими комунікаторами, коли ми розповідаємо про наші відкриття. Гес на повітряній кулі, велика висота, відчуття польоту, холодний метал електроскопів — ці скінченні, чуттєві елементи допомагають закріпити в нашій свідомості такі поняття, як космічне випромінювання. Як я дізналась, коли здобувала ступінь магістра красних мистецтв в Бенінґтонському коледжі, використання яскравих образів і чуттєвих деталей — всього, що можна побачити, помацати, спробувати на смак, понюхати, почути — значно полегшує засвоєння і запам’ятовування нової, складної інформації. Якщо ви дотримуєтесь наукового методу, відстежуючи ці деталі, вам буде легше розповісти про те, що сталося і що ви робили.
Деякі історії з фізики — це відверта наукова фантастика: так звані уявні експерименти. Вони втілюють абстрактні поняття у вигаданих персонажах, сценаріях та чуттєвих деталях. Візьміть хоча б парадокс близнят, про який розповідає Ембер Стувер (Amber Stuver) у чудовому відео на TED-Ed:
Пояснення Стувер про парадокс близнят є найкращим, яке я почула, на відміну від інших досить заплутаних пояснень. Деякі люди не знають, як розповісти хорошу історію, можливо, не з власної провини. Цьому варто приділити час, щоб навчитися.
Як і у випадку з Гесом і його повітряною кулею, у парадоксі близнят є персонажі, місце дії, розвиток подій, темп, конкретні деталі, усе необхідне. Як тільки ми бачимо обриси історії, безпосередньо або уявляючи її, ми можемо додати формули на кшталт коефіцієнта Лоренца (який показує, як час сповільнюється для об’єктів, що рухаються зі швидкістю близькою до швидкости світла) та інші математичні деталі. Тепер я сприймаю математичні рівняння як речення, що додають конкретні, чуттєві деталі, які наповнюють ці історії і навіть надають фундаментальні сюжетні моменти, які просувають історію вперед.
Персонажі уявних експериментів зажили власним життям з розвитком культури фізики: оригінальний уявний експеримент «парадокс близнят» з’явився у 1905 році завдяки Альберту Айнштайну у вигляді доволі простих годинників. Щоб пояснити спеціяльну теорію відносности у своїй оригінальній статті, Айнштайн написав про два синхронізовані годинники, один з яких рухався з точки А до точки Б по прямій лінії. Історія з рухомим годинником розвивалася, як і всі історії: у 1911 році сам Айнштайн переосмислив рухомий годинник як «живий організм в коробці». Фізик Роберт Резнік (Robert Resnick) антропоморфізував цю історію: тепер йшлося про мандрівного близнюка, який повертається до свого брата.
Подібна еволюція сталася і з моїм улюбленим уявним експериментом — демоном Максвела. У 1867 році Джеймс Клерк Максвел (James Clerk Maxwell) уявив два відсіки, з’єднані розумним клапаном, який може відокремлювати швидкі частинки від повільних, проте лорд Келвін прикрасив цю історію, додавши демона з руками і ногами, що порадувало студентів-фізиків в усьому світі. Демон вибірково пропускає швидші (гарячіші) молекули в один бік, а повільніші (холодніші) — в інший, створюючи різницю температур і порушуючи другий закон термодинаміки, який говорить, що Всесвіт завжди прагне до хаосу. Однак робота демона вимагає витрати енергії для збору інформації та сортування молекул. Ці енергетичні витрати призводять до зростання загальної ентропії системи, що зберігає другий закон термодинаміки.
Архетипи персонажів, таких як Аліса і Боб, часто з’являються в квантовій криптографії — способі захисту комунікації за допомогою принципів квантової механіки для шифрування даних. Вперше Аліса і Боб з’явилися в статті «Метод отримання цифрових підписів і криптосистем з відкритим ключем» (1978) комп’ютерного вченого Роналда Ліна Рівеста (Ronald Linn Rivest) та інших науковців, де вони діляться секретним ключем шифрування, щоб захиститися від підслуховувача (часто цю особу називають Евою). Цікаво, коли Аліса і Боб з’являються в різних проблемах. Ці персонажі мають додаткову цінність у тому, що вони знайшли своє місце у популярній культурі, запрошуючи нових людей уявити ці дивні наукові сценарії.
У своїй книжці «Знання та помилка: нариси з психології дослідження» (1905) Ернст Мах (Ernst Mach) стверджував, що ці уявні, опосередковані експерименти є «необхідною передумовою для фізичного експерименту». Уявлення цих історій може «оживити дослідження, розповісти нам про нові властивості та сприяти розумінню їхніх зв’язків». Такі історії — з персонажами, місцем дії, сюжетною лінією та сенсорними деталями — є інструментами, які ми використовуємо, щоб обміркувати конкретну проблему свідомо і систематично.
На курсах фізики від нас часто очікують формальних доведень у щотижневих завданнях, які показують, як одне рівняння перетворюється на інше. Нам показують початок і кінець історії, ніби промотуючи час уперед, і просять заповнити сюжетні моменти, які ведуть до висновку, що закінчується так само драматично, як «Кінець» з ініціялами QED (латиною quod erat demonstrandum — що і треба було довести).
Мені дуже подобаються доведення — я знаходжу в них справжнє задоволення. Є щось прекрасне в тому, як вони коливаються між словами і рівняннями. Доведення, як і наратив, — це ретельно продумана послідовність ідей, що веде читача від припущень і визначень до логічного висновку. Я розглядаю фізичні величини — силу, ентропію, об’єм, густину струму, енергію — як повноцінних персонажів, кожен з яких має розмірність (буквально, розмірність маси, довжина, час, заряд; більш формально, струм — температура, кількість молей, сила світла), що впливає на те, як вони поводяться на сторінці. Їхні «прізвиська» — це їхні символи у рівняннях: F — сила, S — ентропія, V — об’єм, J — густина струму тощо. Як і в історії з багатьма персонажами, іноді потрібен час, щоб вивчити їх усіх, особливо тому, що кожен має улюблену назву.
Але назви — це важливо. Мій друг і бібліофіл П’єр Сокольський (Pierre Sokolsky), почесний декан Наукового коледжу Університету штату Юта, сказав мені: «Коли ви даєте чомусь ім’я, ви використовуєте мову з усіма наслідками, що з цього випливають. Поняття «сила», одного разу сформульоване, набуває всієї сили мови, викликаючи в уяві образи, подібності, навіть історії». Через процес називання фізичні величини перетворюються на персонажів грандіозної історії — не лише доведення, а й самого Всесвіту. Кожна величина формує і водночас формується природними законами, яким вона підкоряється.
В успішній історії всі головні герої повинні певним чином змінюватися; вони повинні піддаватися процесам, які розкривають їхню фундаментальну природу в міру того, як розгортається доведення. Те ж саме відбувається з фізичними величинами. Оскільки зазвичай задіяно більше, ніж одну величину, відносини між кількома персонажами поглиблюються і стають складнішими; їхні комбінації та взаємодія породжують нові версії самих себе.
Деякі автори підручників і викладачі доводять мене до відчаю, коли вони поводяться з фізичними величинами на сторінках, як в дитячій грі: вони переставляють їх із шаленою швидкістю, змінюючи назви та перспективи без жодної турботи. Деякі фізичні величини перейменовують абияк, використовуючи найдивніші грецькі символи, що виглядає так само дивно, як перейменування головного героя вашої історії без пояснення цього читачеві або натяку на причину. Замість того, щоб розкрити глибокі зв’язки між фізичними величинами, такі погані комунікатори у фізиці тільки ускладнюють розуміння, позбавляючи процес тієї інтелектуальної та наративної ясности, яка робить фізику такою захопливою. Якщо не пояснити, що відбувається, навіть коротко, або пропустити важливі етапи у доведенні, читач швидко втратить терпіння і зацікавленість у вашій розповіді. Якщо вашим читачем є викладач, ви втратите бали. Якщо це спонсор, ви не отримаєте грант.
Основа та структура доведень, переплетення слів із числами, речень із рівняннями стали для мене звичними під час редагування формальних доведень для видавництва Taylor & Francis. Моя робота полягала в тому, щоб гарантувати правильну пунктуацію рівнянь, якщо вони були частиною речення. Окрім уважного стеження за «персонажами» у доведенні, необхідно забезпечити ясність, точність, структуру та поступовість. Усі ці навички набуваються під час вивчення мовознавчих дисциплін. Зрештою, і розповідь, і математичне доведення ведуть читача в подорож до розуміння, завершености та прозріння щодо законів Всесвіту.
Фізики обожнюють метафори, навіть якщо стверджують протилежне. Італійський риторик Джамбатиста Віко (Giambattista Vico) ще у XVIII столітті назвав метафору «короткою байкою». Метафори та їхні «родичі» — порівняння, аналогії, схожості — мають набагато більше значення у фізиці, ніж може здатися на перший погляд. Влучна метафора — своєрідна міні-історія — може стати відправною точкою для розуміння фізичної концепції, а іноді й початком нової галузі досліджень. Саме так сталося з аналогіями Майкла Фарадея (Michael Faraday): «струм» і «силові лінії» дали поштовх розвитку електромагнетизму.
Окрім простого повторення історій чи культурного занурення в концепції математики й фізики — що, на жаль, доступно не всім, особливо якщо ваше оточення формувалося під впливом жорстких рамок Третьої культури, — метафори та порівняння є основним способом навчання для людини. Ми пов’язуємо те, що вже знаємо, із тим, чого ще не розуміємо. Ось приклад: аналіз Фур’є можна порівняти з перетворенням симфонії на окремі ноти. Так само як ми можемо розкласти складну оркестрову партію на окремі інструменти, аналіз Фур’є дозволяє розбити складний сигнал чи хвилю на простіші форми. Ще один приклад: працювати з фізиками, чиє его більше за надмасивну чорну діру, — це як колоти себе голкою в око знову і знову.
Я маю слабкість до метафор. Я не жалкую про це. На мою думку, вони повертають життя, світло і колір у те, що було смертельно нудним. Коли мені нудно, я перестаю звертати увагу, тож намагаюся боротися з цією схильністю, принаймні розважаючи себе метафорами. У своїй книжці «Субатомне письмо» (2023), де я порівнюю два традиційно сухі предмети (граматику і фізику елементарних частинок), я прирівнюю частинки мови до частинок матерії і протягом шести уроків будую від слова до абзацу, як ми будуємо від кварку до ланцюжка атомів вуглецю — графіту олівця. Здатність створювати такі міні-історії під час навчання є для мене однією з причин, чому я змогла швидко досягти успіхів у фізиці.
У науці про космічні промені, метафори також відіграють ключову роль. Наприклад, частинка «О-мій-Боже» (англ. Oh-My-God particle) мала енергію 3,2 × 1020 електронвольт. Щоб пояснити цю величину тим, хто не знайомий з такими одиницями енергії, як електронвольти і джоулі, ми використовували аналогії: частинка «О-мій-Боже» мала таку ж кінетичну енергію, як куля для боулінгу, кинута з висоти плеча, або бейсбольний м’яч, кинутий зі швидкістю 28 метрів на секунду (100.8 кілометра на годину). Ми також описуємо космічні промені надвисокої енергії як «крихітні кулі», що з неймовірною силою вриваються в атмосферу Землі. Ці аналогії не лише спрощують складні явища, а й допомагають передати масштаб і вплив цих частинок у спосіб, що знаходить відгук як серед науковців, так і серед громадськости.
Такі аналогії активують наш мозок. Згідно зі статтею «Нейронна кар’єра сенсорно-моторних метафор» (2011) нейробіолога-когнітивіста Рутвіка Десаї (Rutvik H Desai) та ін., метафори задіюють нейронні мережі мозку, які відповідають за сенсорне опрацювання, моторне планування, абстрактне мислення, емоції та пам’ять. Ці міні-історії чудово допомагають нам залишатися уважними і не відволікатися.
Іншими словами, метафори поєднують абстрактні поняття та чуттєвий досвід, дозволяючи нашому мозку обробляти складні ідеї більш природно. Поєднуючи незнайоме зі знайомим, метафори полегшують засвоєння та запам’ятовування нової інформації, саме тому вони є таким потужним інструментом у викладанні та навчанні, особливо в таких предметах, як фізика.
Але метафори також можуть спотворити наше уявлення про явище. Бо Білер (Beau Biller), судовий інженер-механік і асистент викладача програми прикладної фізики в Університеті Джонса Гопкінса, помітив, як важко багатьом студентам зрозуміти складні фізичні поняття. На ранніх етапах вивчення теорії загальної відносности Айнштайна викладачі часто допомагають студентам «побачити» кривизну простору, показуючи їм гумовий лист з кулею для боулінгу посередині. Білер розповів мені: «Дуже важко провести аналогії для геометрії, в якій ми живемо. Наскільки нам відомо, ми не перебуваємо на чотиривимірному гумовому аркуші, зануреному у вищий вимір, у який можна було б «зазирнути» (…) Подібно до вивчення нової мови, деякі концепції сучасної фізики є просто (…) складними. Жодних коротких шляхів».
Тим не менш, метафори можуть допомогти наблизитися до складного поняття. Вони є грубими моделями, які можна вдосконалювати в міру того, як ми дізнаємося більше. Максвел, один із моїх улюблених фізиків, у своїй книжці «Теорія тепла» (1871) використовував більярдні кулі як вихідний пункт для пояснення взаємодії молекул, але він також пояснив, що «дві тверді сферичні кулі не є точним зображенням». Згодом він пояснив чому і назвав цю взаємодію «Зіткнення», модифікуючи ментальну метафору.
На початку кожного семестру мого навчання на магістратурі з прикладної фізики я обираю провідну метафору, яку можу використати для вивчення нового матеріялу. Під час вивчення квантової механіки минулого семестру, я вирішила розпочати з аксіоми: «Частинка схожа на трицератопс на ім’я Аліса», оскільки я часто граю у комп’ютерну гру «ARK: Survival Evolved» з братом у неділю ввечері. Як би безглуздо це не звучало, це було весело і запам’яталося. Ця байка дала мені приблизний нарис історії про квантові частинки та їх взаємодії. Я старанно вчилась, записувала усі свої метафори, пов’язані з динозаврами, особливо математичні деталі, у документі Overleaf, створеному виключно для власного користування, відчула приємний шок, отримавши відмінну оцінку (А+) з квантової фізики.
Якщо не брати до уваги веселі й корисні мнемотехнічні прийоми, фізика стає по-справжньому захопливою, коли ми можемо відкинути риштування метафор і побачити саму математику як основу для оповіді. Як казав Білер: «Ми повинні прочитати історію, яка стоїть за рівнянням», і я повністю з цим погоджуюся. Чим глибше ми занурюємося у фізику, тим більше мова математики дає нам змогу точно розповідати епічну історію Всесвіту.
Деякі історії у фізиці відверто кафкіянські, наприклад, уявний експеримент «Мавпа і мисливець», який демонструє закони руху снаряда, завдаючи великої шкоди бідній мавпі, або ж «Кіт Шрединґера», який назавжди опиняється в коробці з ампулою отрути, де його вічно то вбивають, то не вбивають.
Так само, як кіт Шрединґера демонструє квантові парадокси, людина за цим уявним експериментом уособлює незручний парадокс блискучого розуму, який, тим не менш, вирішив зайнятися хижацькою поведінкою щодо молодих дівчат, дії, задокументовані в його власному щоденнику. Ервін Шрединґер (Erwin Schrödinger) спокусив 14-річну дівчину, яку він навчав, і запліднив її, коли їй було 17. Аборт зробив її безплідною.
Справа ФБР Ричарда Фейнмана (Richard Feynman), оприлюднена у 2012 році, показує, що приватна поведінка фізика не відповідала його грайливій, чарівній публічній персоні. На одній сторінці звіту сказано: «Його колишня дружина, як повідомляється, свідчила, що кілька разів, коли вона ненавмисно заважала йому або його математичним розрахункам, або його грі на барабанах, він впадав у лють, під час якої душив її, кидався усім, що попадало під руку, і трощив меблі».
Фейнман також розповідав хвалькуваті історії про те, як часто відвідував стриптиз-клуби і мав маніпулятивні підходи до жінок у свої молоді роки.
У своєму щоденнику Айнштайн записав надзвичайно расистські речі про людей з Китаю та інших країн, коли він відвідав Далекий Схід та Близький Схід у 1922–1923 роках. Він зраджував своїй першій дружині. І своїй другій дружині. Список поганої поведінки інтелектуальної еліти можна продовжити. Ця похмура реальність нагадує нам, що емоційне та фізичне насильство, що його скоїли «генії» фізики, катастрофічно применшувалося — тенденція, яку ми повинні подолати і реформувати.
Проблема культу героїв у культурній традиції фізики стає особливо підступною, коли ми відмовляємося кидати виклик неетичній поведінці шанованих фігур, дозволяючи зловживанням продовжуватися безконтрольно. Дуже важливо боротися з цими темними наративами — не для того, щоб применшити науковий внесок цих людей, а для того, щоб не допустити процвітання шкідливих практик у наших установах.
Інші похмурі історії радше сприяють емпатії, ніж тиранії. Сокольський сказав мені, що його улюбленим інструментом фізики є молоток, «щоб нагадати мені», каже він, «дозволити студентам закінчити свої докторські дисертації». Він натякає на інцидент 1978 року, коли студент-математик зі Стенфорда Теодор Стрелескі (Theodore Streleski) вбив свого наукового керівника молотком після того, як не зміг завершити свою дисертацію протягом 19 років.
Наративи, які ми будуємо про наші здібності та виклики в житті, настільки ж важливі, як і рівняння, які ми вирішуємо. «Бути впертим та наполегливим ученим, який любив процес розуміння того, як все працює, було найважливішим», — говорить Раша Абасі (Rasha Abbasi), фізикиня астрочастинок з Університету Лойоли в Чикаго. Я знаю Абасі з тих пір, як вона була аспіранткою — а я 16-річною інтернкою — вивчаючи космічні промені в Університеті штату Юта. Сьогодні вона вивчає гамма-спалахи від блискавок за допомогою наших детекторів космічних променів в пустелі Юти. Ми підтримували зв’язок протягом багатьох років, і вона надихає мене своєю наполегливістю, доброю вдачею, гумором та інтелектом. Коли я питаю Абасі, чи є у неї якісь думки щодо ролі мови у фізиці, вона відповідає: «Я не одразу зрозуміла, що мова є важливою частиною буття вченого. У нашій галузі потрібно більше уваги приділяти навчанню письму та комунікації».
Вона має рацію. Студенти-фізики можуть забувати, що письмо є важливою частиною роботи фізика: є наукові праці, звіти, статті у журналах, гранти Національного наукового фонду, плакати, презентації. Кожен вид письма передбачає певний зв’язок з історією, навіть якщо персонаж вашої історії — це змінна у рівнянні.
Зрештою, історії, які ми розповідаємо, визначають наші життєві траєкторії так само, як і культурні сили, що нас формують, стаючи одночасно бар’єрами і мостами до наших найбільших амбіцій. Я знайшла здоровий баланс між культурами, до яких належу, і амбіції більше не є лайливим словом. Я хочу працювати з друзями над розгадкою походження космічних променів надвисокої енергії — давньої таємниці. Я хочу змінити спосіб викладання фізики. Я хочу отримати Нобелівську премію. Моя історія про те, як я знову відкрила для себе фізику, закінчилася, але історія про те, що я буду з нею робити, тільки почалася, і я з нетерпінням чекаю, що станеться далі.
У політології прихильники «теорії підкови» вважають, що ультраліві та ультраправі погляди більш схожі між собою, ніж більш помірковані, центристські погляди. Можливо, існує зв’язок між літературною творчістю та фізикою — академічна теорія підкови. Ви побачите, як я щасливо коливаюсь туди-сюди у веселому просторі між Диктополісом і Цифрополісом, будуючи мости і ремонтуючи паркани. Я запрошую вас вийти зі своєї зони комфорту, продовжувати засвоювати складний матеріял і разом зі мною будувати місто Мудрости, історію за історією.
Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «To understand physics, we need to tell — and hear — stories» в журналі «Aeon» 1 листопада 2024 року.
Переклали Тетяна Байдик, Анастасія Волосаєва, Елеонора Заровна, Володимир Захарченко, Аліна Кобзар, Ніна Кудін, Олександра Маштабрика, Олександр Онищук, Вікторія Пивоварова, Аліна Рудіна, Поліна Сапсай, Алевтина Сметаніна, Марія Ступакова.
