W. Lewin: Z lásky k fyzice

1

edicealiter–svazek50 Walter Lewin a Warren Goldstein Z lásky k fyzice Od konce duhy až na okraj času – putování po divech fyziky Z anglického originálu For the Love of Physics. From the End of the Rainbow to the Ege of Time – A Journey Through the Wonders of Physics, vydaného nakladatelstvím Free Press v New Yorku, přeložila Ina Leckie. Obálka a sazba Martin Radimecký. Odpovědný redaktor Vít Penkala. Technický redaktor Milan Dorazil. V roce 2012 vydalo nakladatelství Argo, Milíčova 13, 130 00 Praha 3, www.argo.cz, argo@argo.cz, jako svou 1809. publikaci. Vytiskla tiskárna Akcent. Vydání první. ISBN 978-80-257-0704-3

Všem, kdo ve mně probudili lásku k fyzice a umění Walter Lewin Mému vnukovi Calebovi Benjaminu Luriovi Warren Goldstein

9 — Úvod Je vysoký a štíhlý, má na sobě cosi jako pracovní mod- rou košili s rukávy vyhrnutými k loktům, kapsáče v barvě khaki, sandály a bílé ponožky a rázuje uličkou mezi pásem tabulí na stěně a nízkým laboratorním stolem, deklamuje, gestikuluje, jen občas se kvůli důrazu zastaví. Před ním se stupňovitě zvedají čtyři stovky sedadel obsazených studenty, kteří se sice vrtí, ale očima visí na panu profesorovi, který působí dojmem, že má co dělat, aby udržel na uzdě mocnou energii, která mu koluje v těle. Celkově svým vysokým čelem a neposlušnými šedinami, brýlemi, i náznakem jakéhosi neidentifikovatelného evropského přízvuku připomíná Christophera Lloyda v roli hektického, nepraktického, leh- ce šíleného vědce a vynálezce – doktora Browna z filmové trilogie Návrat do budoucnosti. Jenže tady nejsme v Brownově garáži, jsme v MIT, Massa- chusettském technologickém institutu, na jedné z nejlep- ších vědeckotechnických univerzit ve Spojených státech, možná i na celém světě, a ten přednášející před tabulemi je profesor Walter H. G. Lewin. Právě se zastavil a otočil se ke studentům. „Něco vám povím. Jedna veledůležitá součást měření, která se ve všech fyzikálních skriptech zásadně ig- noruje,“ – rozpřáhl doširoka ruce s roztaženými prsty – „je míra nejistoty měření.“ Odmlčí se, udělá ještě krok, aby se nad tím mohli zamyslet, a znovu se zastaví. „Měření, které provádíte bez znalosti nejistoty, nemá smysl.“ Rozhodí ruce a pro zdůraznění jimi seká do vzduchu. Následuje další odmlka. „Zopakuji to. Chci, aby vám ta věta zazněla v uších, když se dnes uprostřed noci zničehonic probudíte.“ Zvedá

10 — ukazováčky ke spánkům a otáčí jimi, jako by se chtěl pro- vrtat až do mozku. „Měření, které provádíte bez znalosti míry jeho nejistoty, naprosto nemá smysl.“ A studenti na něj hledí jako u vytržení. Od začátku první přednášky fyziky 8.01, nejproslulejšího úvodu do fyziky na světě, uběhlo teprve jedenáct minut. V prosinci roku 2007 vyšel na titulní straně listu New York Times článek o Walteru Lewinovi coby „internetové hvězdě“, v němž se probíraly jeho přednášky z fyziky, jinak dostup- né na webových stránkách MIT OpenCourseWare, a také na YouTube, iTunes U nebo na Academic Earth. Lewinovy přednášky byly z prvních, které univerzita na webu zveřej- nila, a velmi se jí to vyplatilo, neboť si získaly obrovskou popularitu. Je jich celkem devadesát čtyři – ve třech studij- ních cyklech, plus sedm samostatných, a navštíví je kolem tří tisíc uživatelů denně, což dělá za rok přes milion. A byl už mezi nimi i samotný Bill Gates – ten ostatně ve svých dopisech (posílaných klasickou poštou!) Walterovi psal, že už viděl všechny přednášky předmětů 8.01 – Klasická mechanika a 8.02 – Elektřina a magnetismus, a vyjádřil se, že už se těší na 8.03 – Kmity a vlny. V hlavičkách e-mailů, které Lewin denně dostává od lidí z celého světa a všech věkových kategorií, se často ob- jevuje věta: „Změnil jste mi život.“ Steve, květinář ze San Diega, mu napsal: „Chodím teď svižněji a dívám se na ži- vot očima proměněnýma fyzikou.“ Mohammed, student přípravného ročníku strojařiny v Tunisku, napsal: „Naši profesoři bohužel na rozdíl od vás ve fyzice nic krásného nevidí, a to mě dost trápí. Chtějí po nás jen, abychom se naučili řešit ‚typické‘ úlohy a obstáli tak při zkouškách. A za tenhle horizont už nikdo z nich nevidí.“ Seyed, Íránec, který už má několik amerických vysokoškolských titulů, napsal: „Neměl jsem ze života opravdovou radost až do chvíle, kdy jsem vás viděl přednášet fyziku. Pane profeso- re Levine, vy jste mi dočista změnil život. Způsob, jakým

11 — učíte, vydá za deset jiných kurzů a z NĚKTERÝCH – ne všech – jiných pedagogů dělá zločince. Protože učit špatně, to je HRDELNÍ ZLOČIN.“ Nebo Siddharth z Indie: „Cítil jsem fyziku za těmi rovnicemi. Vaši studenti si vás budou vždycky pamatovat, tak jako si vás vždy budu pamatovat já – jako skvělého učitele, díky kterému je život a studium mnohem zajímavější, než bych si kdy dokázal představit.“ Mohamed nadšeně a uznale cituje z Lewinovy závěrečné přednášky z fyziky 8.01: „Snad si z mých přednášek napořád zapamatujete, že fyzika dokáže být velmi krásná a vzrušu- jící a že je všude kolem nás, neustále; stačí jen se naučit ji vidět a ocenit její nádheru.“ Marjory, další příznivkyně, napsala: „Dívám se na vás tak často, jak jen mohu; někdy i pětkrát za týden. Fascinuje mě vaše osobnost, váš smysl pro humor, a ze všeho nejvíc vaše schopnost zjednodušo- vat. Na střední škole jsem fyziku nenáviděla, ale vy jste mě ji naučil milovat.“ Lewin dostává takových e-mailů každý týden desítky a na každý z nich vždycky odpoví. Walter Lewin vytváří magickou atmosféru, když předsta- vuje divy fyziky. V čem je jeho tajemství? „Představuji lidem jejich vlastní svět,“ říká, „svět, ve kterém žijí a který dobře znají, jen k němu neumějí přistupovat jako fyzikové – tedy zatím ne. Když mluvím o vlnách na vodě, požádám je, aby si udělali určitý pokus doma ve vaně; to je jim blízké. Je jim blízká duha. To je jedna z věcí, které na fyzice miluji: že můžete postupně vysvětlit cokoli. A to je úžasná zkuše- nost – pro ně i pro mě. Já je do fyziky zamilovávám! Někdy, když to studenty opravdu hodně zaujme, jsou přednášky jako happeningy.“ Někdy sedí na vršku pětimetrového žebříku a z pohár- ku na podlaze jako dlouhatánským brčkem cucá hadovitě se vlnící laboratorní hadičkou brusinkový džus. Nebo si koleduje o vážné zranění, když strká hlavu do dráhy sice malé, ale hodně účinné bourací kouli, která se mu nakonec

12 — zhoupne pár milimetrů od brady. Jindy zase střílí z pušky do dvou plechovek od barvy naplněných vodou, nebo se nabije třemi sty tisíci volty pomocí zařízení, kterému se říká Van de Graaffův generátor – vypadá to opravdu jako scéna z laboratoře šíleného vědce v nějakém sci-fi filmu – takže mu už i tak rozježené vlasy trčí kolmo od hlavy. Používá svoje tělo jako součást vybavení pro pokusy. Jak často sám říká: „Věda si koneckonců žádá oběti.“ Při jedné demon- straci – která je zachycená na obálce této knihy – sedí Lewin na náramně nepohodlné kovové kouli zavěšené na provaze ze stropu posluchárny (říká tomu kyvadlo všech kyvadel), jen aby prokázal, že počet kyvů, které kyvadlo vykoná za určitý čas, nezávisí na hmotnosti závaží na jeho konci. Jeho syn Emanuel (Chuck) Lewin na některé jeho před- nášky chodí a líčí: „Viděl jsem ho jednou, jak inhaloval héli- um, aby si změnil hlas. Aby byl ten efekt pořádný – na detai- lech záleží nejvíc –, tak se dopracoval až na pokraj mdloby, což je pro něj typické.“ Lewin je hotový umělec, pokud jde o tabuli – kreslí bez skrupulí geometrické obrazce, vekto- ry, grafy, astronomické jevy i zvířata. Jeho způsob kreslení tečkovaných čar okouzlil několik jeho studentů natolik, že na YouTube pověsili zábavné video s názvem „Nejlepší čáry Waltera Lewina“, které zachycuje několik útržků z přednášek ‚osm nula jedničky‘, kde Lewin na různých tabulích právě kreslí svoje pověstné tečkované čáry (na toto video se mů- žete podívat na www.youtube.com/watch?v=raurl4s0pjU). Lewin je svým impozantním a charismatickým zevněj- škem nefalšovaný excentrik: samorost posedlý fyzikou. V peněžence vždycky nosí dvě věcičky, kterým se říká pola- rizátory, aby si mohl kdykoli a okamžitě zjistit, jestli nějaký zdroj světla, třeba jasně modrá obloha, duha nebo odrazy ve sklech oken, je polarizovaný, a aby se mohl podívat každý, kdo je právě nablízku. A co ty modré pracovní košile, které nosí na přednáš- kách? Vlastně to vůbec nejsou pracovní košile. Lewin si

13 — je objednává na zakázku, má je na míru šité podle svých požadavků, z prvotřídní bavlny, vždy tucet jednou za ně- kolik let, od jistého krejčího v Hongkongu. I tu rozměr- nou kapsu na levé straně si navrhl sám tak, aby se mu do ní vešel diář. A nemá nad ní žádnou klopku – pokud jde o módu, je tenhle fyzik, šoumen a učitel v jedné osobě velmi vybíravý – takže člověk se až podiví, proč tedy naopak také nosí tu nejdivnější ozdobu, jakou kdy univerzitní profesor nosil: plastovou brož v podobě smaženého vejce. „Lepší mít vejce na košili než na obličeji,“ říká (v angličtině spojení mít vejce na obličeji vyjadřuje, že dotyčný udělal nějakou hloupost, trapas…). A proč nosí na levé ruce obří prsten z růžového nerozbit- ného skla? A co je ta stříbřitá věcička, kterou má připnutou na košili ve výši pupku a na kterou tu a tam letmo mrkne? Když se ráno Lewin obléká, má na výběr ze čtyřiceti prstenů a pětatřiceti broží, i z desítek náramků a náhr- delníků. Jeho vkus sahá od eklektické všehochuti (jako jsou korálkové náramky z Keni, náhrdelník z velkých kusů jantaru, nebo umělohmotné brože v podobě ovoce) přes starožitnosti (těžký stříbrný turkmenský náramek) a au- torská a umělecká dílka až po vyslovené úlety k smíchu (náhrdelník z filcových napodobenin lékořicových bon- bónů). „Studenti si toho začali všímat,“ říká Lewin, „a tak jsem začal nosit na každou hodinu něco jiného. A hlavně když mám vystoupení pro děti. Ty to zbožňují.“ A ta věc připnutá na jeho košili, která vypadá jako pře- dimenzovaná spona na kravatu? Jsou to speciálně navržené hodinky (dárek od kamaráda umělce) s ciferníkem obrá- ceným vzhůru, takže Lewin se jen koukne na košili a hned má přehled o čase. Občas se lidem zdá, že Lewin je nesoustředěný jako klasický roztržitý profesor. Ve skutečnosti je však obvyk- le hluboce pohroužený do úvah nad nějakými aspekty fyziky. Ostatně jeho žena Susan Kaufmanová nedávno

14 — zavzpomínala: „Když jedeme do New Yorku, řídím vždycky já. Nedávno jsem vytáhla automapu, už ani nevím proč, ale když jsem ji otevřela, všimla jsem si, že kolem států jsou po okrajích všude samé rovnice. Psal si je tam před před- náškou, když se cestou autem nudil. On měl vždycky hlavu plnou fyziky. Jeho studenti a škola jsou s ním čtyřiadvacet hodin denně.“ Podle Lewinovy dlouholeté přítelkyně Nancy Stieberové, odbornice na dějiny architektury, je asi nejvýraznějším ry- sem jeho osobnosti „až laserově ostrá intenzita jeho zájmu. Ať se pustí do čehokoli, oddá se tomu v maximální možné míře a 90 procent ostatního světa pro něj přestane existo- vat. On tím laserově ostrým soustředěním prostě vymaže všechno, co pro něj není podstatné, a věnuje se dané věci s tak intenzivním zaujetím, je to úplná joie de vivre.“ Lewin je perfekcionista; je téměř fanaticky posedlý de- tailem. Není jen předním světovým učitelem fyziky; byl také průkopníkem v oblasti rentgenové astronomie a dvě desítky let strávil vytvářením, testováním a pozorováním subatomických a astronomických jevů pomocí ultracitlivé- ho zařízení pro vysoce přesné měření rentgenového záření. Vypouštěl obří a extrémně křehké balóny do horních vrs- tev zemské atmosféry a tak začal objevovat onu exotickou směsici astronomických fenoménů, jakými jsou například zdroje rentgenových záblesků. Objevy, které Lewin a jeho kolegové v této oblasti učinili, pomohly odhalit tajemství zániku hvězdy v podobě masivního výbuchu supernovy a ověřit, že černé díry skutečně existují. Lewin se naučil testovat, testovat a zase testovat – což mu dopomohlo nejen k úspěchu v roli astrofyzika – po- zorovatele, ale je to také důvod, proč dokáže tak úžasně srozumitelně objasnit velkolepost Newtonových zákonů, vysvětlit, proč struny houslí vydávají tak nádherně rezonu- jící tóny, nebo proč člověk nakrátko ztrácí a nabírá váhu, když jede výtahem.

15 — Svoje přednášky si vždycky alespoň třikrát předem na- zkoušel v prázdné posluchárně, přičemž poslední zkoušku si dělal v pět ráno v den přednášky. „Jeho přednášky zabíra- jí,“ říká astrofyzik David Pooley, jeho bývalý student, který s ním v posluchárně spolupracoval, „právě díky času, který jejich přípravě věnuje.“ Když v roce 2002 katedra fyziky MIT nominovala Lewina na prestižní cenu za výuku, okomentovalo jeho schopnosti mnoho jeho kolegů. Jeden z nejvýstižnějších popisů, jaké to je, když vás učí fyziku Lewin, pochází od Stevena Leeba, dnes profesora elektrického inženýrství a informatiky v La- boratoři MIT pro elektromagnetické a elektronické systé- my, který chodil na Lewinův kurz elektřiny a magnetismu v roce 1984. „Vletěl vždycky do posluchárny jako torpédo,“ vzpomíná Leeb, „čapnul nás za mozek a vyrazil s námi na takovou jízdu po horské dráze elektromagnetismu, že až dodnes cítím ten svist za krkem. Je to génius poslucháren, jeho schopnost najít způsob, jak objasnit komplikované pojmy, nemá obdoby.“ Robert Hulsizer, jeden z Lewinových kolegů z katedry fyziky, se pokusil nafilmovat úryvky z Levinových demon- stračních pokusů při výuce a vyrobit z nich reprezentativní film pro jiné univerzity. A zjistil, že je to neproveditelný úkol. „Jeho názorné pokusy byly tak dobře zapojené do výkladu, kterému nechybělo budování napětí a rozuzlení, že se vůbec nedalo přesně určit, kdy ukázka začala a kdy skončila. Podle mě je Walterův výklad tak hutný, že se pro- stě nedá rozkrájet na jednotlivá sousta.“ Na tom, jak Walter Lewin přistupuje k podávání zázraků fyziky, je nejlepší jeho obrovská radost ze všech divů našeho světa, kterou přitom kolem sebe šíří. Jeho syn Chuck hovoří s láskou o zápalu, se kterým jeho otec tuto radost přenášel na něj a na jeho sourozence: „Díky němu opravdu uvidíte a ohromí vás, jak je všechno krásné, umí rozvířit v člověku radost, úžas a vzrušení. Mám na mysli neuvěřitelné chvíle,