Карл Виман

Карл Виман (нем. Carl Wieman; род. 26 марта 1951, Корваллис, Орегон, США) — американский физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии по физике (2001) за достижение конденсации Бозе — Эйнштейна в разреженных газах щелочных металлов и за фундаментальные исследования свойств конденсата. Помимо научной деятельности, известен как реформатор образования в области естественных наук, автор методики активного обучения и основатель ряда образовательных проектов.

Биография

Карл Эдвин Виман родился 26 марта 1951 года в Корваллисе, штат Орегон. Его отец, Норберт Виман, был профессором лесного хозяйства в Университете штата Орегон, мать, Элисон Виман, — домохозяйкой. Детство провёл в небольшом городке, где рано проявил интерес к науке и технике. В старших классах участвовал в научных олимпиадах и самостоятельно конструировал электронные устройства.

В 1969 году поступил в Массачусетский технологический институт (MIT), где в 1973 году получил степень бакалавра по физике. Затем продолжил обучение в Стэнфордском университете, где под руководством Теодора Гебалле (Theodor Geballe) занимался исследованиями в области физики низких температур и сверхпроводимости. В 1977 году защитил докторскую диссертацию (Ph.D.) на тему «Спектроскопия сверхпроводящих щелей в тонких плёнках».

После защиты докторской степени Виман работал научным сотрудником в Мичиганском университете (1977–1979), а затем перешёл в Национальное бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий, NIST) в Боулдере, штат Колорадо. В 1984 году стал профессором физики в Университете Колорадо в Боулдере, где проработал более 20 лет. В 2007 году перешёл в Университет Британской Колумбии (Канада), а с 2013 года является профессором Стэнфордского университета.

Научная деятельность

Конденсация Бозе — Эйнштейна

Основное научное достижение Вимана — экспериментальное получение конденсата Бозе — Эйнштейна (БЭК) в газе атомов рубидия-87. Работа велась совместно с Эриком Корнеллом (Eric Cornell) в лаборатории JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) в Боулдере. В 1995 году им удалось охладить газ до температуры около 170 нанокельвинов (1,7×10⁻⁷ K), что позволило атомам перейти в единое квантовое состояние — конденсат. Это был первый случай наблюдения БЭК в газовой фазе, предсказанного в 1924–1925 годах Альбертом Эйнштейном на основе работ Шатьендраната Бозе.

За это открытие Виман, Корнелл и Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году. Кеттерле независимо получил БЭК в газе натрия в Массачусетском технологическом институте в том же 1995 году.

Другие исследования

После получения БЭК Виман и его группа занимались изучением свойств конденсата: квантовой когерентности, интерференции атомных волн, а также взаимодействия конденсата с лазерным излучением. В 2000-х годах он переключился на исследования в области квантовой оптики и атомной физики, включая создание атомных часов и квантовых сенсоров.

Образовательная деятельность

С конца 1990-х годов Виман активно занимается реформой преподавания физики и других естественнонаучных дисциплин. Он критикует традиционные лекционные методы, называя их малоэффективными, и продвигает так называемое «активное обучение» (active learning) — подход, при котором студенты вовлечены в решение задач, обсуждение и эксперименты во время занятий.

Методика Peer Instruction

Виман адаптировал и популяризировал метод «взаимного обучения» (peer instruction), разработанный Эриком Мазуром (Eric Mazur) из Гарвардского университета. Суть метода: на лекции преподаватель задаёт вопрос с несколькими вариантами ответов, студенты сначала голосуют индивидуально (с помощью кликеров или мобильных устройств), затем обсуждают ответы в парах или малых группах, после чего голосуют снова. Это позволяет студентам активнее осмысливать материал и корректировать ошибочные представления.

Проект PhET

В 2002 году Виман основал проект PhET (Physics Education Technology) — коллекцию бесплатных интерактивных симуляций по физике, химии, биологии и математике. Симуляции PhET используются в школах и университетах по всему миру, включая Россию. Проект базируется в Университете Колорадо в Боулдере и поддерживается Национальным научным фондом (NSF) и другими организациями.

Исследования эффективности обучения

Виман проводил контролируемые эксперименты, сравнивающие результаты студентов, обучающихся по традиционной лекционной методике, и студентов, использующих активное обучение. В 2014 году он опубликовал метаанализ, показавший, что активное обучение значительно повышает успеваемость и снижает процент отсева на курсах физики. Эти результаты оказали влияние на образовательную политику в США и других странах.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (2001, совместно с Э. Корнеллом и В. Кеттерле)
• Премия Вольфа по физике (1997, совместно с Э. Корнеллом)
• Премия Лоренца (1998)
• Медаль Фредерика Айвза (2000)
• Премия Карла Сагана за популяризацию науки (2004)
• Премия за выдающиеся заслуги в преподавании физики (Американская ассоциация преподавателей физики, 2007)
• В 2004 году избран членом Национальной академии наук США, в 2007 году — членом Американской академии искусств и наук.

Критика

Некоторые преподаватели и учёные критикуют Вимана за чрезмерный упор на активное обучение в ущерб лекционному формату, который, по их мнению, остаётся эффективным для передачи больших объёмов информации. Кроме того, отмечается, что внедрение методов активного обучения требует значительных ресурсов (время, оборудование, подготовка преподавателей) и не всегда возможно в условиях массового образования.

Личная жизнь

Карл Виман женат на Саре Виман (урождённой Гилберт), имеет двоих детей. Увлекается альпинизмом и горными лыжами. В свободное время занимается фотографией природы.

Источники

• Carl Wieman. Nobel Lecture: Bose-Einstein condensation in a dilute gas: the first 70 years and some recent experiments. Reviews of Modern Physics, 2002.
• Wieman, C. E., & Gilbert, S. L. (2000). The PhET project: Interactive simulations for teaching and learning physics. The Physics Teacher, 38(5), 274–277.
• Freeman, S., Eddy, S. L., McDonough, M., Smith, M. K., Okoroafor, N., Jordt, H., & Wieman, C. (2014). Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(23), 8410–8415.
• Биография на сайте Нобелевского комитета: nobelprize.org
• Интервью с Карлом Виманом в журнале «Science», 2007.