Глава 3. Энергия
Почему предметы горячие? Откуда берется громкость?
В середине XVII столетия во Флоренции была основана Академия дель Чименто — Академия эксперимента. Целью этого общества было изучение тайн природы путем наблюдений и опытов. Его члены создали одни из первых градуированных лабораторных инструментов, размеченных стандартными единицами, например спиртовые термометры. Они пользовались такими термометрами, чтобы разобраться в тепловых явлениях, например в том, как происходит расширение жидкостей при замерзании, расширение твердых тел при нагревании, и во влиянии тепла и холода на атмосферное давление.
В одной серии экспериментов флорентийские ученые помещали сосуды с разными жидкостями — розовой водой, фиговой водой, вином, уксусом и растопленным снегом — в ледяную ванну, чтобы вызвать замерзание. Когда жидкости замерзли, расширение отмечалось по отношению к температуре. Странно то, что экспериментаторы ставили термометры не в сам сосуд, а в лед рядом с ним. Прошло 250 лет, и измерение точки замерзания стало обычным экспериментом на детских научных ярмарках. Все инструкции по их проведению рекомендуют помещать термометры в замораживаемую жидкость. Почему же флорентийцы поступали иначе?
Из записок экспериментаторов следует, что они пытались измерить изменения именно в жидкости, а не в ледяной ванне. Однако сам процесс замерзания они понимали совсем не так, как сегодняшние ученые. Термометр, с их точки зрения, был нужен, чтобы измерить силу холода, перетекающего из ледяной ванны в жидкость. Сосуд и его содержимое воспринимались как пассивные получатели холода, а не как равные партнеры в двустороннем взаимодействии. Современный взгляд на процессы, происходящие во время таких экспериментов, заключается в том, что тепло передается от сосуда ледяной ванне. Но тогдашние экспериментаторы об этом даже не подозревали. Холод для них был не отсутствием тепла, а чем-то фундаментально отличным. Разве тепло может охладить?
Рис. 3.1. Эти термометры были созданы в Академии дель Чименто — флорентийском научном обществе XVII века. С их помощью провели одни из первых лабораторных опытов по нагреванию, охлаждению, сжиганию и заморозке
Флорентийские ученые не только рассматривали тепло и холод как противоположные процессы, но и представляли их как вещества, аналогичные воде, спирту и маслу. Считалось, что тепло состоит из частиц огня и в процессе нагревания другие вещества наполняются этими частицами, которые расталкивают их изнутри (отсюда явление теплового расширения). Кроме того, полагали, что тепло могут излучать только источники тепла: свечи, уголь, костры, солнце. Жидкость комнатной температуры не рассматривалась как носитель теплоты, не говоря уже о передаче тепла более холодной системе (ледяной ванне).
Взгляд флорентийских экспериментаторов на тепловые явления назвали теорией источника и получателя, поскольку она четко различает источники и получателей тепла, а также источники холода и получателей холода. Эта теория объясняет подход флорентийцев ко всем тепловым явлениям, не только к искусственной заморозке. В другой серии опытов они наблюдали, как латунь, бронза и медь расширяются при нагревании и сокращаются при охлаждении. Степень расширения они сравнивали с расширением древесины, впитывающей воду. Для современных взглядов на тепловое расширение это странное сравнение, но для теории источника и получателя оно вполне разумно, поскольку частицы впитывающейся воды в ней физически аналогичны впитывающимся частицам огня — предполагаемым составным частям тепла.
Еще ученые из Академии дель Чименто сравнили замерзание воды в ледяной ванне («искусственное замораживание») с тем, как вода замерзает на улице в холодный день («естественное замораживание»). Они искали разницу в скорости, полноте замерзания и прозрачности получившегося льда. Их эксперименты были основаны на представлении, что разные виды холода оказывают разное действие. Результаты, однако, не позволили экспериментаторам сделать окончательных выводов. Они не позаботились проверить, совпадает ли температура воздуха на улице с температурой ледяной ванны, и были больше сосредоточены на том, чтобы охарактеризовать природу другого «источника холода» и его воздействие.
В 1761 году, спустя более чем столетие после основания Академии дель Чименто, шотландский химик Джозеф Блэк открыл, что воздействие тепла на вещество не всегда меняет температуру. В частности, нагревание смеси льда и воды не поднимает температуру, а только повышает соотношение воды ко льду. Температура воды начнет расти лишь после того, как весь лед растает. Блэк пришел к выводу, что то же верно для смеси холодной воды и пара: нагревание не будет повышать температуру, пока вся вода не испарится.
Отличие тепла от температуры не вписывалось в господствовавшую в то время теорию источника и получателя. До Блэка все исходили из того, что термометр измеряет тепло, а не температуру, поэтому разделение тепла и температуры при фазовом переходе было необъяснимым.
Это открытие заставило Блэка разработать новую теорию тепловых явлений, но это была не кинетическая теория, принятая в современной термодинамике. Теория Блэка различала тепло и температуру, но все еще продолжала считать тепло веществом — теплородом. В точках таяния и кипения теплород накапливается внутри веществ, меняя их химический состав, но не температуру. Потребовалось еще целое столетие, чтобы ученые отказались от этой теории в пользу кинетического (основанного на энергии) взгляда на тепло. Но не-ученые держатся за нее. Подобные представления лежат в основе большинства рассуждений о теплоте, хотя старое название давно забыто и теплород называют просто теплом.
* * *
Тепло — это форма энергии, совокупная энергия молекул физической системы, но мы интуитивно рассматриваем ее как разновидность вещества согласно с описанными выше устаревшими теориями. Интуитивные теории тепла совпадают с историческими воззрениями во многих аспектах, начиная с формулировок. Тепло описывают как нечто движущееся само по себе («тепло из ванны уходит, рассеивается, улетучивается). Его можно поймать и сдержать («теплица удерживает солнечное тепло», «закройте дверь, чтобы не напустить жары»). Для некоторых это просто метафора. Проще сказать «все тепло ушло из ванны», чем «вода в ванне достигла теплового равновесия с окружающей средой». Большинство же людей понимают это не менее буквально, чем фразу «из ванны вытекла вся вода» или «закрой дверь, чтобы не проникал запах».
Откуда известно о том, что эти формулировки буквальны? Например, использующие их люди делают совершенно иные прогнозы о тепловых феноменах, чем не использующие. Мы еще обсудим это. Другая причина заключается в том, что если нужно объяснить «вещественные» формулировки, то многие излагают теорию, полностью основанную на веществе, как в представленной ниже беседе между ученым, исследующим преподавание физики, и студентом колледжа, изучающим физику:
Ученый: Вы только что использовали глагол «перетекать» для описания процесса передачи тепла. Как представляете себе передачу тепла в этом вопросе?Студент: Как движение воды. Вода течет из более высокого места в более низкое, а тепло — из более теплой области в более холодную. По-моему, принцип схожий.
Другое сходство между интуитивными и историческими теориями тепла заключается в том, что в обоих случаях проводится различие между теплом и холодом и, следовательно, между источниками холода и источниками тепла. Холод — это не более чем восприятие определенного состояния. Вещества, отводящие тепло от тела, ощущаются холодными, а передающие телу тепло — горячими. И тем не менее по-разному воспринимаемые состояния кажутся материальными, как разные вещества. Подумайте об объяснениях, которые приводили студенты на вводном курсе физики, когда их спрашивали, почему стакан чуть теплой воды теряет температуру при контакте с кубиком льда или металлическим столом:
— Часть холода из кубика переходит в воду.— Когда стакан касается металлического стола, молекулы стола добавляют чашке холода.— Стакан становится холоднее, потому что стол передает чашке холодные молекулы, а чашка передает горячие молекулы столу. Когда это происходит, стол становится горячее, а чашка — холоднее.
В последнем объяснении высказано не только предположение, что холод отличается от тепла, но и что он состоит из другого вещества: «молекул холода». Может появиться искушение интерпретировать это объяснение с точки зрения энергетических состояний: «горячие молекулы» высокоэнергетические, а «холодные» — низкоэнергетические. Однако студент явно полагал, что от вещества к веществу передаются именно сами молекулы, а не их энергия. Взгляд на жар и холод как на дуэль двух веществ хорошо выразил другой участник того же исследования, определивший температуру как «меру смеси тепла и холода внутри предмета».
Третье сходство между интуитивными и историческими теориями, в частности теорией источника и получателя, заключается в том, что они не разделяют тепло и температуру. В результате тщательных наблюдений за фазовыми переходами Блэк открыл, что тепло отличается от температуры. В быту то же отличие можно наблюдать, когда предметы, обладающие одинаковой температурой, передают разное количество тепла. В ванной, например, хлопчатобумажные полотенца на полу кажутся теплее, чем керамическая плитка под ними, металлические пряжки ремней безопасности в горячей машине — теплее, чем виниловая обивка сиденья, а алюминиевые сковородки в духовке — теплее, чем окружающий их воздух. Причина разных ощущений в том, что одни материалы передают тепло лучше, чем другие, и более эффективно передающие вещества (проводники тепла) кажутся горячее или холоднее, чем те, которые проводят тепло хуже (теплоизоляторы).
Таким образом, чтобы понять, почему два материала с одинаковой температурой при прикосновении ощущаются по-разному, нужно отличать тепло и передачу тепла от температуры. Большинство людей этого не делают и исходят из того, что предмет чувствуется горячим, потому что он и есть горячий, потому что одни предметы теплее от природы (например, полотенцу присуща большая теплота, чем плитке) или потому что некоторые вещества лучше улавливают тепло (например, хлопок от природы лучше улавливает тепло, чем керамика). Мы склонны считать пальцы тепловыми сенсорами, но пальцы не измеряют ни тепло, ни температуру. Они измеряют гораздо более субъективный параметр: получает или теряет кожа тепло, и насколько быстро. С эволюционной точки зрения это самое главное, потому что от этого зависит, есть ли опасность умереть от ожогов или обморожения. Важнейший фактор тепловых травм — не тепло, а его передача. Если бы тепло само по себе имело столь же серьезное значение, невозможно было бы вынуть сковородку из духовки, потому что воздух обжигал бы кожу еще до того, как рука коснется сковородки. Наша кожа в безопасности потому, что воздух передает тепло гораздо медленнее металла. Мы можем переносить контакт с воздухом, нагретым до 200°C, хотя не можем вынести контакта со сковородой той же температуры.
Возможно, восприятие тепла (теплоты) более оторвано от самого тепла, чем восприятие веса (тяжесть) от собственно веса. В обоих случаях важную роль играет материал, но на восприятие тепла он влияет значительно сильнее, чем на восприятие веса. Подумайте, например, о разнице между алюминием и пробкой. Килограмм алюминия будет казаться тяжелее, потому что пробка занимает больше места, что повлияет на восприятие ее веса. Однако отклонение от реальности не доходит до такой степени, что алюминий начинает казаться неподъемным. В то же время воспринимаемая и реальная теплота предметов отличаются гораздо сильнее. При 100°C пробку все еще можно потрогать, а алюминий сразу же обожжет кожу.
* * *
Представьте, что у вас два шарика, наполненных гелием, — бумажный и резиновый. Оба шара плотно закрыты. Если оставить их на несколько часов в кладовке, какой шар сохранит большую подъемную силу? Теперь представьте, что у вас два стакана кофе: один из пенопласта, другой керамический. Оба стакана герметично закрыты крышкой. Если оставить их на столе на двадцать минут, в каком напиток будет горячее?
С научной точки зрения эти мысленные эксперименты относятся к совершенно разным явлениям: диффузии газов и передаче тепла. В первом случае происходит рассеивание вещества, а во втором — обмен энергией. Следовательно, физики будут исходить из разных соображений: пористости бумаги по сравнению с резиной в первом случае и теплопроводности пенопласта по сравнению с керамикой во втором.
Однако не слишком знакомые с физикой люди основывают свои ответы на пористости материала. Иными словами, и физики, и новички сходятся во мнении, что резиновый шарик будет более летучим, чем бумажный, но по-разному предсказывают, в каком из стаканов кофе окажется горячее. Физики считают, что в пенопластовом, так как он лучше изолирует, а новички — что в керамическом, поскольку керамика не такая пористая.
Это одна из нескольких парных задач, разработанных исследовательской группой психолога Мишлен Чи. Ученые стремились сопоставить преобразования материи со структурно схожими случаями передачи энергии. Некоторые задачи относились к теплоте, некоторые — к свету, некоторые — к электричеству. Независимо от вида рассматриваемой энергии, мало знакомые с физикой люди (в данном случае девятиклассники) считали, что результат передачи энергии будет таким же, как и при тесно совпадающем материальном преобразовании. Для обоснования своих суждений в отношении материи и энергии они использовали те же формулировки: глаголы, подразумевающие содержание (удерживает, улавливает, блокирует), абсорбцию (впитывается, вбирает, поглощает) и движение (покидает, протекает, улетучивается).
Специалисты-физики, решая те же задачи, использовали совершенно другую терминологию. Обсуждая материю, они говорили о содержании, абсорбции и (макроскопическом) движении, а в случае энергии упоминали молекулярные взаимодействия (сталкиваются, контактируют, возбуждаются), системные процессы (вместе, параллельно, одновременно), поиск равновесия (распространяется, передается, выравнивается). Почему новички относятся к теплу, свету и электричеству так, как будто это вещества? Авторы исследования полагают, что все дело в том, что концептуализировать «вещи» легче, чем процессы. Вещи конкретны, а процессы абстрактны. Вещи статичны, а процессы динамичны. Вещи устойчивы, а процессы эфемерны.
Конечно, не все процессы плохо поддаются концептуализации. Несложно представить себе очень многие целенаправленные процессы, например приготовление пищи, рисование и шитье. Чи и коллеги называют их прямыми и противопоставляют эмерджентным. Эмерджентные процессы отличаются от прямых четырьмя главными особенностями. Они системны — не имеют четкого причинно-следственного объяснения. Они стремятся к равновесию, к сбалансированной конфигурации компонентов. Они одновременны, то есть их компоненты действуют в тандеме. И они текущие, то есть не имеют ни начала, ни конца, даже если достигают равновесия.
Тепло — яркий пример эмерджентного процесса, так как оно является результатом коллективного движения независимых молекул. Еще к таким процессам относятся давление, которое рождается из совокупной силы независимых частиц газа, погода — коллективное движение независимых масс воздуха, а также эволюция, приводимая в движение размножением независимых организмов. Эмерджентные процессы можно найти и в обществе. Дорожное движение — это совокупность решений независимых водителей, цена акций определяется решениями независимых инвесторов, а городская архитектура — решениями независимых застройщиков. Часто проще думать, что явления в этих сферах вызваны каким-то одним фактором — одним медлительным водителем, одним неразумным генеральным директором и одним градостроителем, нарисовавшим в воображении план, однако они возникают без помощи (и без помех) со стороны лидера. Несомненно, тепло не вызвано одной молекулой, ведущей за собой другие. Сложные и вроде бы направленные изменения складываются из простых и ненаправленных взаимодействий на нижележащем уровне системы.
Рис. 3.2. Диффузия — это эмерджентный процесс. Случайные взаимодействия на одном уровне физической системы (микроскопическом) ведут к систематическим изменениям на более высоком уровне (макроскопическом). Например, чернила диффундируют в воде
Для научного понимания тепла его нужно рассматривать как эмерджентный процесс. Но как это сделать, если такие процессы трудноуловимы? Мишлен Чи и ее сотрудники взялись и за эту проблему курицы и яйца. Они начали знакомить далеких от физики людей с понятием эмерджентных процессов и лишь потом объясняли им, почему примером такого процесса является, в частности, тепло. Они разработали обучающую компьютерную программу, которая раскрывала четыре главные черты эмерджентных процессов: системность, стремление к равновесию, одновременность и постоянное течение. Эффективность обучения психологи измеряли с помощью описанных выше задач, в которых несколько связанных с энергией проблем сравнивали со схожими проблемами, основанными на материи.
Инструктаж оказался очень действенным. До него лишь немногие видели разницу между проблемами, основанными на энергии и на материи. Это проявлялось и в прогнозах, и в даваемых объяснениях. После курса большинство уже видело отличия. Другими словами, информация об эмерджентных процессах помогала начать воспринимать их с совершенно новой точки зрения — как что-то возникающее из материи, но не являющееся ею, затрагивающее окружающие предметы, но не являющееся ими. Такова природа энергии.
* * *
Звук, как и тепло, — одна из форм энергии. Он проходит через материю или, точнее, посредством материи, но сам материей не является. Это волна давления, порожденная вибрацией: пики сжатых молекул чередуются с впадинами разреженных молекул. Однако большинство людей не считают звук энергией, а воспринимают его как вещество.
Звуки явно проходят через среду: их можно услышать сквозь твердые вещества, жидкости и газы. Многие люди считают, что звуки просачиваются через пустое пространство внутри, а среда — это только помеха, и без нее звук распространялся бы быстрее. Тем не менее звук не может распространяться в пустоте. Именно это подразумевает слоган фильма «Чужой»: «В космосе никто не услышит твой крик».
Основанное на веществе понимание природы звука популярно и легко проявляется. Посмотрите на следующие объяснения, которые приводили в беседе о природе звука студенты, посещающие вводный курс физики.
— Когда звук движется, он проходит сквозь воздух… Может быть, он находит место между частицами воздуха, но, наверное, в итоге он с какой-нибудь столкнется. То есть он, по-моему, точно не знает, куда идет.— Звук проходит как какой-то маленький предмет. Он как будто пробивает себе дорогу… находит маленькие свободные пространства, пока не дойдет до слушателя.— Ну, я бы сказал, что звук идет как по лабиринту. Он как бы прокладывает себе путь, пока не выйдет до другой стороны. По-моему, звук не может двигать частицы стены. Мне кажется, он их просто обходит.
Я заметил, что мои знакомые тоже делают похожие заявления. Смотря по телевизору передачу, снятую в открытом космосе, подруга как-то заметила: «Они что, не знают, что в космосе нет звуков? Там нет частиц воздуха, поэтому звуку не от чего отталкиваться». Она была права, что в космосе нет звуков, но причина в другом. Звук не отталкивается от частиц воздуха, а переносится ими.
У детей представления о звуке еще более овеществленные. В одном из исследований участников в возрасте от шести до десяти лет спрашивали, имеет ли звук массу, постоянство и вес. Вопросы формулировали, например, так: «Почему звуки слышно сквозь стену?» (Если у звука есть масса, это настоящая тайна.) «Как далеко звуки уходят от своего источника?» (Если звук обладает постоянством — наверное, довольно далеко.) «Становятся ли часы чуть легче с каждым ударом?» (Если у звука есть вес — так и должно быть.) Почти все дети приписывали звуку массу и утверждали, что звуки обходят стены или проникают через трещины, а не проходят через саму стену. Некоторые наделяли звуки весом и постоянством, утверждая, что они будут путешествовать бесконечно, а бьющие часы становятся все легче.
Эти ответы не случайные. Они развиваются по определенной схеме. Изначально дети приписывают звуку все три свойства — массу, вес и постоянство. Затем они начинают пересматривать эти характеристики одну за другой. Сначала они перестают приписывать звукам постоянство, потом вес и, наконец, массу (это происходит не всегда). Очевидно, что непостоянное вещество представить себе легче, чем невесомое, а невесомое — проще, чем не имеющее массы. Чем, в конце концов, было бы вещество без массы? Та же схема проявляется и в детских представлениях о тепле. Изначально дети приписывают теплу массу, вес и постоянство, потом только массу и вес, потом только массу. Такие параллели четко показывают, что дети представляют звуки и тепло как вещества, а не как энергию. Изначально для них это полное подобие материальных веществ, а позже — нечто более абстрактное, но по-прежнему похожее на вещество.
Детские представления о том, как человек воспринимает звуки, тоже выдают «вещественные» взгляды. В науке процесс восприятия звука описывается довольно прямолинейно. Звуковые волны попадают в ухо и заставляют вибрировать барабанные перепонки. Оттуда вибрации передаются по ряду косточек в улитку — орган, преобразующий их в нервные импульсы. Как работало бы восприятие, если бы звук был веществом? Возможно, ухо действовало бы как воронка для «частиц звука», собирало их и направляло в мозг. Эту версию, однако, высказывают не так часто. Обычно делают предположение, что уши выявляют звук активно, а не пассивно его принимают. Они как бы достают наполняющие среду образцы звуков с помощью некоего невидимого излучения. Этот взгляд — «экстрамиссия» — хорошо демонстрирует следующий разговор между исследователем естественно-научного образования и десятилетним ребенком:
Ученый: [Ударяет по лабораторному стакану металлическим предметом] Почему появился звук?Ребенок: Потому что два твердых предмета при ударе издают звуки.Ученый: А почему они производят звук?Ребенок: Точно не знаю. Наверное, это как-то связано со звуковыми волнами.Ученый: Ты можешь объяснить, что подразумеваешь под звуковыми волнами?Ребенок: Не особенно. Они выходят из уха.Ученый: А как, по-твоему, звуки идут от стакана к уху?Ребенок: Это ухо посылает звуковые волны. Когда звук сталкивается с этими волнами, он попадает в ухо.
Ребенок знает термин звуковая волна, но называет им что-то, что выходит из уха, а не попадает в него. Если звуки — это частицы, путешествующие внутри или через материалы, которые их породили, значит, у человека должны быть какие-то средства, позволяющие взять образцы этих частиц — своего рода излучение, взаимодействующее со звуком. Этот ребенок использовал термин звуковые волны, чтобы назвать такое излучение.
Объяснение звукового восприятия с помощью экстрамиссии распространено в детском возрасте, но не слишком популярно у взрослых. В то же время взрослые нередко разделяют аналогичные взгляды в отношении зрения. Зрительное восприятие работает аналогично слуху за исключением того, что свет — это другая форма энергии. Свет попадает в глаз, как звук — в ухо, а затем на сетчатку, как звук — на барабанные перепонки. Однако свет более повсеместен, чем звуки, и поэтому его меньше ценят как форму информации. Люди считают, что свет нужен, чтобы видеть, но при этом не осознают, что свет — это и есть воспринимаемая зрением среда и что мы видим предметы посредством световых волн, которые отражаются от них и попадают в глаза. Даже великие мыслители, например Платон, Птолемей и Леонардо да Винчи, неверно понимали роль света в зрении. Как и большинство современных взрослых, эти великие умы считали, что свет — это какой-то луч (или волна), который выходит из глаз и взаимодействует с объектами.
Экстрамиссионистские убеждения довольно примечательны. Они стабильно выигрывают у противоположных объяснений зрения (например, у представлений о лучах или волнах, попадающих в глаз). Если дать испытуемому картинку глаза и попросить нарисовать стрелки, отражающие поток информации в процессе зрения, то чаще всего стрелки будут направлены из глаза, а не в глаз. Если попросить объяснить, как происходит восприятие светящихся предметов, например зажженной лампочки, люди признают, что свет от лампочки попадает в глаз. Однако они отрицают, что что-то попадает в глаза, если попросить объяснить восприятие несветящихся предметов, например выключенной лампочки. Последнее особенно выразительно: люди признают, что свет попадает в глаза в присутствии источника, но не считают свет таким уж необходимым для зрения.
Рис. 3.3. Рентгеновское зрение супергероя — это преувеличенная версия того, как большинство людей воспринимают обычное зрение. Глаз как будто посылает лучи, которые взаимодействуют со средой
В стандартном курсе физики роль света в зрении не рассматривается. Этот материал присутствует только в курсе физиологии, а там редко непосредственно опровергают экстрамиссионистские убеждения. Более того, само зрение не позволяет его обладателю сделать вывод об интрамиссии, поэтому, наверное, неудивительно, что большинство взрослых разделяют ошибочные взгляды. Может быть, они просто не слышали других версий. Однако ученые рассмотрели эту возможность и обнаружили, что объяснить принципы работы зрения недостаточно, чтобы скорректировать экстрамиссионистские представления. Они оказались очень устойчивы. В одном из исследований было разработано пособие, в котором отдельно оговаривался и опровергался экстрамиссионизм. В пособии была подчеркнута роль света в зрении и более двадцати раз упоминалось, что свет попадает в глаза. Пособие завершалось следующей фразой: «Помните, что глаз ничего не излучает. В процессе зрения в глаза попадают лучи света, но из глаз ничего не выходит. Супермен может посылать лучи из глаз, чтобы лучше видеть, но у обычных людей все не так».
Это пособие применяли у пятиклассников, восьмиклассников и студентов старших курсов колледжей. Все группы, видимо, узнавали что-то новое и после обучения проявляли значительно меньше экстрамиссионистских убеждений. Однако спустя всего три месяца прежние представления о зрительных лучах возвращались и были столь же часты, что и среди учащихся, не проходивших обучения.
Такого рода исследования доказывают, что экстрамиссионизм имеет все черты интуитивной теории. Он исторически древний. Он устойчиво обнаруживается у людей разных возрастов, в разных задачах и контекстах. Его сложно устранить путем обучения. Следовательно, это больше, чем просто ложное представление. Это побочный продукт ненаучного понимания света и его роли в зрении. Исследования, прямо проверявшие интуитивные догадки учащихся о свете (а не о восприятии света), показали, что свет рассматривается не как форма энергии, а — вы правильно угадали — как вещество.
* * *
В жизни экстрамиссионистские взгляды вряд ли очень мешают человеку. Попадают ли волны в глаз или выходят из него, мы все равно знаем: чтобы увидеть объект, его ничто не должно загораживать. Однако в экстрамиссионизме проявляются фундаментально ложные представления о природе энергии, а это может иметь серьезные, даже фатальные последствия в других ситуациях. «Вещественные» теории энергии гласят, что ее источники отличаются от получателей (характерный пример — теория источника и получателя тепла, которую исповедовали флорентийские экспериментаторы). Эта ошибка может привести к опасному обращению с тепловыми и электрическими системами: человек может внимательно относиться к предметам, которые он считает источниками энергии, но менее бдительно — к предметам, которые кажутся всего лишь получателями.
Посмотрите на следующую статистику. Причина большинства ожогов — не контакт с огнем (классическим источником тепла), а соприкосновение с горячими предметами и веществами, например кухонной утварью и кипятком. Обморожения чаще всего возникают не от контакта со льдом (классический «источник» холода), а из-за продолжительного пребывания на холодном воздухе. Бытовые удары электрическим током тоже обычно связаны не с классическим источником электричества — розеткой, а с неправильным пользованием электрическими приборами. Все это отчасти может быть вызвано тем, что с одними опасностями люди встречаются чаще других, но дело может быть и в недооценке опасности, исходящей от предметов и веществ, которые воспринимаются просто как получатели энергии.
Научное понимание тепла и электричества может защитить от некоторых связанных с энергией опасностей. Однако знания не так легко учитывать в повседневном поведении. Вы, наверное, знаете, что электричество — это движение электронов, но при этом, возможно, по-прежнему воспринимаете его как вещество («ток»), текущее по проводу из розетки, если воткнуть в нее вилку от электрического устройства. Даже ученые пользуются такого рода интуитивными представлениями, когда рассуждают об энергии вне научного контекста. В ходе одного из исследований физикам с научной степенью задавали вопросы о тепле и способах его передачи. Все участники понимали, каким образом микроскопические процессы порождают макроскопические феномены, но предпочитаемое объяснение этих явлений часто было другим. Когда их просили объяснить, почему оставленная на столе горячая тарелка остывает, некоторые ссылались на теплопроводность, некоторые — на конвекцию, некоторые — на излучение, а некоторые упоминали теплоемкость участвующих в процессе материалов. Многим физикам было сложно совместить научные знания о тепле с бытовым опытом, как видно в следующем диалоге:
Исследователь: Чем лучше обернуть коробку с соком, чтобы она не нагрелась, — фольгой или шерстью?Физик: Я бы сказал, что шерстью, но это, наверное, неправильно.Исследователь: Почему вы считаете, что это неверно?Физик: Не знаю. Есть чувство, что это не так, но не могу точно объяснить.Исследователь: То есть, по вашему мнению, правильный ответ — алюминиевая фольга?Физик: Да. Почему? Потому что мама ставила блюда в духовку в фольге, а не в шерсти, хотя шерсть тоже не сгорела бы при такой температуре. Поэтому, наверное, все-таки алюминиевая фольга.
На самом деле шерсть изолирует лучше, чем алюминий, и физик признал этот факт. Однако повседневный опыт с шерстью и алюминием заставил его колебаться. Почему мама оборачивала продукты в фольгу, раз алюминий не такой хороший изолятор? И почему шерсть не входит в число кухонных принадлежностей, если она изолирует лучше?
Эта история вписывается в более общий вывод, сделанный на основе исследования профессиональных ученых. Они рассуждают точнее не потому, что отказались от ложных, ненаучных представлений, а потому, что их научили подавлять эти взгляды. Неправильные убеждения никуда не делись и поднимают голову, когда надо решать проблемы, лежащие за пределами области, которой они непосредственно занимаются, как в приведенном выше диалоге. Даже если ученые рассуждают о проблеме правильно, в душе они все равно борются с ложными представлениями. Сейчас для изучения активности мозга можно использовать функциональную магнитно-резонансную томографию (ФМРТ). Она в реальном времени измеряет кровообращение в определенных областях мозга при решении задач. Чем активнее работает зона, тем больше ей требуется кислорода и тем больше должен быть приток крови.
Рис. 3.4. Когда специалисты рассматривали физически невозможные электрические цепи, у них проявлялась повышенная активность в дорсолатеральной префронтальной коре и передней поясной коре головного мозга — областях, связанных с отслеживанием и подавлением конфликта
В последние годы исследователи опробовали эту методику на ученых, рассуждавших о двух видах проблем: тех, которые смог бы правильно решить любой человек, и тех, для решения которых требовалась научная подготовка. В первом случае у ученых проявлялись обычные паттерны нервной активности. Однако во втором случае большая активность наблюдалась в префронтальной коре и передней поясной коре — зонах мозга, связанных с отслеживанием и подавлением конфликта. Ученые умели решать сложные научные проблемы, то есть пользоваться своими знаниями, но для этого им приходилось подавлять мысли, конфликтующие с научным подходом, и латентные ложные представления.
Скрытые ложные представления об энергии были, в частности, обнаружены во время рассуждений физиков об электричестве. В одном из исследований с применением ФМРТ специалистам и неспециалистам показывали замкнутые и незамкнутые электрические цепи и просили определить, будет ли гореть входящая в контур лампочка. Физикам известно, что лампочка должна быть подключена двумя проводами, поскольку цепь между лампочкой и батарейкой должна быть замкнута. А незнакомые с темой люди думают, что электричество течет по проводу как вода по трубам, поэтому им кажется, что для передачи энергии от батарейки к лампочке одного провода достаточно.
Как и ожидалось, физики прекрасно отличали правильные электрические цепи (замкнутые с горящей лампочкой и незамкнутые с негорящей) от неправильных (замкнутых с выключенной лампочкой и незамкнутых с включенной). В их поведении не было признаков убеждения, что одного провода хватит. Однако при рассмотрении неправильных цепей у них в большей степени активировалась префронтальная кора и передняя поясная кора головного мозга, связанные с отслеживанием и подавлением конфликта. Другими словами, когда специалисты видели зажженную лампочку, подключенную к батарейке одним проводом, они верно классифицировали цепь как неправильную, но их мозг проявлял признаки борьбы с противоречием. Вероятно, подавляемой мыслью было то, что и одного провода хватит.
Следовательно, на более глубоком уровне даже физики рассматривают электричество как аналог жидкости: из «бутылки»-батарейки она «вытекает» по проводнику и «течет» дальше по проводам. Физическую реальность электричества как системного, стремящегося к равновесию, одновременного и текущего процесса сложно принять даже им. Тепло, звук, свет и электричество рассматриваются прежде всего как вещества, и никакое обучение не способно стереть эти «вещественные» взгляды из нашего мозга.
Назад: Глава 2. Материя
Дальше: Глава 4. Гравитация
