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『機械宇宙…そしてその先へ』は、カリフォルニア工科大学で撮影された全52回のテレビ講座で、コペルニクスから量子力学までを網羅した大学レベルの物理学を紹介するものです。1985年から1986年にかけて制作されたこのシリーズは、カリフォルニア工科大学と、現在はIntelecom Learningとして知られるカリフォルニアのコミュニティカレッジの非営利コンソーシアムであるINTELECOM [ 1 ]が、 Annenberg /CPB [ 2 ]の資金援助を受けて制作。PBS系列局で放送された後、 LaserDiscで配信され、最終的にはYouTubeでも公開されたこのシリーズは、コンピュータアニメーションの使用で知られています。
1982年から制作が始まったこのビデオは、物理学の概念を説明するために、歴史的なドラマ化や視覚補助を多用している。後者は当時最先端の技術であり、コンピューターグラフィックスのパイオニアであるジム・ブリンが、助手であるシルヴィー・リュエフ[ 3 ]とジェット推進研究所のトム・ブラウン[ 4 ] [ 5 ]とともに作成した、約8時間にも及ぶコンピューターアニメーションが組み込まれている。各エピソードは、カリフォルニア工科大学のデイビッド・グッドスタイン教授が講義室で「親しみやすい顔の見えないナレーターの口にはうまく言えない」説明をする冒頭と末尾のセグメントで始まる。[ 2 ] 25年以上経った今でも、このシリーズは特殊相対性理論などの基本的な概念を分かりやすく説明しているため、補助教材としてよく使われている。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
グッドスタインが登場する冒頭と最後のセグメントは、カリフォルニア工科大学の物理学1aと1bのコースで実際に行われている1年生向けの物理学講義を特別に演出したものである。テレビ番組の構成と重点的に取り上げるトピックの選択は、当時改訂されたばかりのカリフォルニア工科大学の入門物理学カリキュラムを反映している。これは、約20年前にファインマン物理学講義で示されたもの以来、初めての全面的な改訂であった。ファインマンは一般的にトピックの現代的な例を求めていたが、後のカリキュラム改訂ではより歴史的な焦点が当てられるようになった。
要するに、以前のファインマンの講義は、可能な限り各科目を現代の科学的問題と関連付けることで、物理学を面白くしようとしていた。新しい講義は正反対のアプローチを取り、最初の発見の歴史的な興奮を再現しようとした。例えば、学生にとって非常に難しく、刺激のない科目として悪名高い古典力学は、「宇宙における私たちの位置」の発見として扱われる。したがって、天体力学はこの科目の根幹であり、そのクライマックスはニュートンによるケプラー問題の解決である。[ 2 ]
第22話では、ラプラス・ルンゲ・レンツベクトルの変形版（ただしその名前ではない）を用いて、ケプラー問題（重力の逆二乗法則が軌道が円錐曲線であることを意味することを示す問題）を解決した。[ 9 ]
冒頭と最後のシーンに登場する部屋は、カリフォルニア工科大学のブリッジ講義室です。エキストラの多くは他大学の学生で、講義室の最前列は、カリフォルニア工科大学の講義で通常見られるよりも多くの女性で意図的に埋められました。[ 10 ]テレビ制作チームは、番組「ペーパーチェイス」に登場する講義室に似せるため、講義室に偽の木製パネルを追加しました。後に、カリフォルニア工科大学の物理学科はその結果に十分感銘を受け、パネルを恒久的に設置しました。[ 2 ]カメラトラックとスタジオライトのためのスペースを確保するために、講義室の多くの座席を撤去する必要がありました。これを補うために、後から満員の講義室のリアクションショットを追加で撮影し、編集で完全な聴衆の錯覚を作り出すことができました。グッドスタイン自身の映像のほとんどでは、学生は2列しかいませんでした。[ 11 ]
他の多くのビデオセグメントは、例えば液体空気を生産するリンデの工業プラントなど、現地で撮影されました。歴史的なシーンは、複数のエピソードで再利用しやすいように、しばしば汎用的に作られました。「若いニュートンがリンゴ園を散歩し、老いたニュートンが召使いからお茶を渋々断る、など」。[ 2 ]ヨハネス・ケプラーの歴史的再現をフィーチャーした映像は、カール・セーガンの1980年のテレビシリーズ「コスモス：パーソナル・ボヤージュ」から購入しました。[ 12 ]
このシリーズは当初26話構成で計画されていた。[ 13 ] [ 14 ]その後60話に拡大されたが、予算と制作スケジュールの都合で最終的に52話に削減された。[ 2 ] [ 15 ]
この番組は、微積分に関する事前の知識を必要としないことを意図していました。代わりに、微分積分学の基礎は、シリーズの早い段階で教えられることになっていました。[ 13 ]カリフォルニア工科大学の数学者トム・M・アポストルは、シリーズが提示する数学の質を損なわないようにするため、メカニカル・ユニバースの制作スタッフに加わりました。ブリンのコンピュータアニメーションの例を初めて見たアポストルは、このシリーズが「教科書や黒板ではできない方法で数学を生き生きとさせる」ことができると確信しました。[ 16 ]人文科学系の学生を対象とした試写会で、微積分を学ぶ上での最大の困難が三角法の知識不足であることが明らかになったため、アポストルはテレビ講座とともに配布する三角法の入門書を作成しました。[ 2 ]メカニカル・ユニバースの制作に助言した後、アポストルは高校数学を対象とした同様のシリーズが有益であると判断しました。[ 17 ]これが後にカリフォルニア工科大学のシリーズ「プロジェクト・マスマティクス」となりました。また、この作品にはブリンによるコンピュータアニメーションも含まれていた。ブリンが『機械宇宙』のために制作したアニメーションの一部は、代数、幾何学、三角法の応用を説明するために、この新しいシリーズでも再利用された。[ 18 ]
1990年のSFアクション映画『トータル・リコール』では、主人公（アーノルド・シュワルツェネッガー演じるダグラス・クエイド）が太陽系の各地でバーチャル休暇を勧められるシーンで、メカニカル・ユニバースのタイトルシークエンスの一部が使用された。このアニメーションはライセンスなしで使用されたため、カリフォルニア工科大学とインテレコムはキャロルコ・ピクチャーズを300万ドルで訴えた。 [ 19 ]
詳細な数式の導出を示すために、この番組では制作者が「代数バレエ」と呼ぶ手法を採用した。[ 4 ]コンピュータアニメーションは、段階的に詳細に導出を示したが、モンティ・パイソン風の足を踏み鳴らす動作やミケランジェロの「アダムの創造」の神の手によって代数項が打ち消されるなど、素早く、そしてユーモアを交えて表現した。ブリンは、コスモスが「真面目すぎた」と感じたため、メカニカル・ユニバースのアニメーションにもっとユーモアを取り入れることを目指した。[ 20 ]目標は、厳密さを犠牲にすることなく、視聴者の「脳を60サイクルの唸り声」に陥らせないことだった。制作者は、学生がアニメーションから各導出の全体的な要点を学び、その後、付属の教科書を使って詳細を学習できるように意図した。[ 2 ]コンピュータアニメーションは、ニュートンの運動法則を示すビリヤードボールのシミュレーションなど、物理システムの理想化を描写するためにも使用された。ブリンは以前、同じソフトウェアの一部を使用して、Cosmos用のDNAとDNA ポリメラーゼの相互作用を視覚化していた。[ 21 ]あるコメント投稿者は、これらのアニメーションは「磁場などの動的な三次元現象に対する主観的な洞察を学生に提供するのに特に役立つ」と評した。[ 22 ]
物理概念を視覚化するために必要なコンピュータグラフィックスを作成する過程で、ブリンは雲をシミュレートする新しい技術や、メタボールとして知られる仮想の「ぼやけた物体」を発明した。[ 23 ]ブリンは正二十面体と正十二面体の頂点座標を使用して、点電荷から放射状に伸びる電場線の位置を決定した。[ 24 ]
ナレーションの大部分は俳優のアーロン・フレッチャーが担当し、彼は歴史パートではガリレオ・ガリレイ役も演じた。特定の技術的な詳細の説明など一部のナレーションは、番組のエグゼクティブプロデューサーであるサリー・ビーティが担当した。[ 2 ]
高校での使用を目的として、長さ10分から20分の「メカニカル・ユニバース」のエピソードの短縮版が制作された。この改訂版は、12人の高校教師と管理者がコンサルタントを務め、国立科学財団からの65万ドルの助成金によって支援された。[ 25 ]これらのビデオは、教師の便宜を図るための補足的な文書資料とともに配布され、既存の教科書と併用されることを意図していた。[ 12 ]ヨークシャー・テレビジョンは後に、英国の視聴者向けに再パッケージ化されたバージョンを制作し、1991年4月にリリースした。[ 26 ]
アンネンバーグ/CPBは『機械の宇宙』の制作資金を提供した。[ 27 ]この番組は、1980年代初頭にアンネンバーグ財団が公共放送協会に最初に約束した9000万ドルの資金提供を受けた最初の12のプロジェクトのうちの1つだった。[ 1 ] [ 2 ] [ 28 ]プロジェクトの総費用は約1000万ドルだった。[ 29 ]
PBSとラーニングチャンネルは1985年9月に「機械の宇宙」の放送を開始しました。[ 30 ] 1986年の秋には、約100のPBS局が「機械の宇宙」を放送し、1987年の秋までに600以上の高等教育機関が番組を購入または使用許諾しました。[ 2 ] 1992年、グッドスタインは、このシリーズがPBSを通じて100以上の局で放送され、「無邪気な人々が微分方程式の解法を偶然目にする可能性が低いような、奇妙な時間帯に放送されることが多かった」と述べています。[ 29 ]彼は、詳細な視聴者数を把握するのは困難だったが、番組がマイアミで土曜日の朝に放送されたときには、プロデューサーはニールセンの視聴率を得ることができたと述べています。
実際、この番組は同時間帯で2位となり、 2つのネットワーク局の子供向けアニメ番組を上回った。デイド郡だけでも18,000世帯の熱心な視聴者がおり、視聴者の平均年齢は18歳で、半数が女性だった。しかし、このような詳細な情報はめったに得られない。[ 29 ]
グッドスタイン氏とプロジェクト副ディレクターのリチャード・オレニック氏は次のように述べた。
手紙や電話の形で寄せられた逸話的な情報によると、一般視聴者から高校生、研究大学の教授に至るまで、あらゆるレベルのユーザーの間で非常に大きな熱意が見られるが、特に教育テレビの管理者がTMUを従来のテレビ講座のように扱おうとしたときには、多くの大きな失望もあった。 [ 2 ]
同様に、1988 年のPhysics Todayのレビューでは、これらのプログラムはテレビ講座としては単独ではうまく機能しないが、従来の教室やOpen Universityのようなより標準的な遠隔学習コースの補足としての方がはるかにうまく機能すると示唆した。[ 31 ]また、レビュー担当者は、コンピューターアニメーションによる方程式の「代数バレエ」が速すぎてついていけないと感じた。「しばらくすると、生身の教授が黒板に方程式を書き込んでくれるのを切望するようになる」。[ 31 ]同様に、 American Journal of Physics のレビューでは、「映像の技術的な熟練度」を称賛しながらも、アニメーションによる方程式の操作について、「MIT の学生が言うように、これは消防ホースから水を飲もうとしているようなものだ」と書いた。[ 32 ]物理学者のCharles H. Holbrowは、Olenick に「これらの教材は、今後数十年にわたって物理学の主要な視覚イメージとなるだろう」とかなり熱烈な評価を下した。[ 12 ] Educational Technologyの評論家は、アニメーションを「見ていて魅力的」だと評し、多くの教師が従来の黒板でできることと少なくとも同等に効果的だと述べた。[ 33 ] Los Angeles Timesの社説は、この番組を「並外れた」、アニメーションを「素晴らしい」と評し、「微分積分がテレビの最高テストでなくても、どんなコンテストでも準決勝に進出するだろう」と冗談を言った。[ 34 ] Goodstein と Olenick は、若い視聴者は「代数バレエ」スタイルを「理解できない代数操作に不快感を覚える年配の視聴者よりもずっと楽しむ傾向がある」と報告した。[ 2 ]
1986年、The Mechanical Universeは才能のある子供たちのためのサマープログラムの一部として使用され、全体的に成功を収めた。[ 35 ]
1987年にインディアナ大学ブルーミントン校 で行われた研究では、ニュートン力学の入門コースの一部として「メカニカル・ユニバース」の14エピソードが使用され、概ね良好な結果が得られた。
これらのテープは、ニュートン力学を歴史的視点から捉え、アリストテレスや中世の思想の歴史的な転覆を劇的に描き、科学者や科学的探求の多様性を示し、学生の興味と熱意を刺激し、優れたアニメーションを通して特定の力学概念の時間的側面を示す上で特に効果的でした。付随するテキストは、このコースの図書館の貸出リストに置かれましたが、学生にはあまり利用されませんでした。[ 36 ]
追跡調査では、これらの動画は他の分野の教授に物理学を説明する際にも役立つ可能性があることがわかった。否定的な反応は、エピソード自体の質に対する認識よりも、科学史の教材が「重要な試験対策指導」と見なされる内容から時間を奪ったことと関係が大きかった。[ 37 ]調査員は次のように回想している。
ビデオテープの内容はテストには出ないだろうと考えた一部の学生は、照明が暗くなるとすぐにドアに向かいました。この傾向に対抗するため、私はビデオテープで議論された歴史的または文学的な詳細に基づいたテスト問題をいくつか使い始めました。一部の学生は憤慨しました。「これは詩の授業ですか？」[ 38 ]
教室での使用は1990年代まで続いた。カリフォルニア大学バークレー校 のマイノリティ教育プログラムでは、グループディスカッションの一環として、メカニカル・ユニバースのエピソードセグメント（レーザーディスク）が使用された。 [ 39 ] 1993年のシリーズのレビューで、ある科学史家は、数年間授業でエピソードを使用していたと述べ、「ケプラーの3つの法則」と「マイケルソン・モーリーの実験」を個人的なお気に入りとして挙げた。
ケプラー映画のハイライトは、ケプラーが惑星の軌道が円ではなく楕円であることを実際にどのように発見したかを、精緻なグラフィックで表現した場面です。彼が直面した問題の途方もない難しさと、それを解決するために用いた方法の優雅さが、はっきりと伝わってきます。一見些細なことのように思えるこの素晴らしい発見を、これ以上にうまく伝える方法は想像できません。[ 40 ]
2005年のThe Physics Teacher誌のコラムでは、初めて物理学を教えようとする教師のための準備視聴として「The Mechanical Universe 」が推奨されている。 [ 41 ]また、 The Physics Teacher誌は、このシリーズを「優秀な生徒のための補足教材または補習課題」としても推奨している。[ 42 ] Wired誌のウェブサイトに寄稿したレット・アレインは、このシリーズを従来の講義の機能の一部を代替できるビデオの例として挙げている。[ 43 ]
1987年、「ローレンツ変換」（第42話）が第16回日本教育テレビ賞を受賞した。[ 44 ]『機械宇宙』が受賞したその他の賞には、1986年のバーミンガム国際映画祭の金賞、国際視聴覚コミュニケーター協会の「シンディ」賞2回（1987年と1988年）、ニューヨーク国際映画テレビ祭の金賞（1985年）と銀賞（1987年）、全米教育映画ビデオ祭の銀賞（1986年）と金賞（1987年）、シカゴ国際映画祭の金賞（1985年）などがある。[ 45 ] [ 46 ]
グッドスタインは、物理教育における功績、特に『機械の宇宙』の功績により、1999年にエルステッド賞を受賞した。[ 47 ]ブリンは、コンピュータグラフィックスの分野への貢献、特に『コスモス』、『機械の宇宙』、『プロジェクト数学！』のアニメーション制作により、1991年にマッカーサー・フェローシップ、1999年にスティーブン・A・クーンズ賞を受賞した。[ 48 ] [ 49 ]
多くの入門物理学の教科書と同様に、『機械宇宙』は、1940年のタコマナローズ橋の壮絶な崩落を共鳴の例として挙げ、「共鳴」のエピソードで災害の映像を使用している。しかし、より最近の解説では、橋を破壊した壊滅的な振動は単純な機械的共鳴によるものではなく、橋とそこを通過する風との間のより複雑な相互作用、すなわち空力弾性フラッターとして知られる現象によるものであることが強調されている。この現象は、外部駆動の単純調和振動子の線形理論の適用範囲を超える一種の「自己維持振動」である。[ 50 ] [ 51 ]
最初の26話で使用されたオープニングシーケンスでは番組のタイトルが「機械の宇宙」と表示されているのに対し、後の26話では「機械の宇宙…そしてその先へ」というタイトルになっている。[ 52 ] [ 53 ]この追加理由は、最終話の最後の講義部分でグッドスタインによって説明されている。
最初の科学革命では、人間や神の権威の解釈をめぐる論争は、観察、測定、仮説の検証に取って代わられ、それらはすべて定量的な数学的推論の強力な助けによって行われました。そして、その結果として生まれたのが機械的な宇宙、つまり正確で予測可能な機械的な法則に従って運命を必然的に決定づける宇宙でした。今日、私たちはもはやそのような宇宙を信じていません。ある瞬間のある粒子の正確な位置を知っていたとしても、それがどこに向かっているのか、どれくらいの速さで動いているのかは全くわかりません。そして、「どこに向かっているのかはわからないが、実際にはどこに向かっているのか？」と言っても、何の違いもありません。まさにそのような質問は、科学的に無意味なのです。それが私たちが住む世界の性質です。それが量子力学的な宇宙です。[ 54 ]
このシリーズはCaltechから購入することも、Caltechの公式YouTubeチャンネルを含むオンラインビデオソースからストリーミング視聴することもできます。[ 55 ] Caltechはまた、 SIGGRAPHカンファレンスで番組のコンピュータアニメーションを実演するためにBlinnが作成した一連の短いビデオをYouTubeに投稿しました。
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