Читать книгу "Сбитые с толку - Эндрю Штульман"

Всем нам — верящим в заговор или нет — сложно понять связь гравитации с массой. Когда предметы падают, мы узнаём еще в младенчестве, где они упадут — в детском возрасте. Но для понимания причин падения нужно пройти обучение, и об этом можно вообще не узнать. Даже зная, что падение происходит под действием гравитации, человек думает об этом процессе не с точки зрения гравитации, а в категориях веса[119]. Если пакет порвется и покупки упадут на землю, вы будете винить не земное притяжение, а их вес. Дело в том, что вес у разных предметов разный, а гравитация вроде бы постоянная. Именно поэтому постоянный фактор игнорируется и рассматривается только переменный.

Привычка отделять вес от гравитации имеет последствия для понимания. Вес воспринимается как неотъемлемое свойство предмета, а не как результат взаимодействия предмета с гравитационным полем. Из-за этого невозможно ответить на базовые вопросы и о весе, и о гравитации. Почему предметы по-разному весят на разных планетах? Почему в открытом космосе они вообще не имеют веса? Почему спутники вращаются вокруг планет, а не падают на них? Почему предметы падают с одинаковым ускорением независимо от массы? Почему при свободном падении возникает ощущение невесомости? И даже простейший вопрос: почему на другой стороне Земли упавшие предметы не улетают в космос?

Последний пункт детей озадачивает особенно. Если предметам нужна опора снизу, как противоположная сторона Земли обеспечивает такую поддержку? Несомненно, любой, кто туда попадет, должен упасть, как мышь, перебравшаяся на нижнюю сторону большого мяча. Исследователи заинтересовались тем, как дети совмещают свои убеждения о гравитации с представлениями о Земле, и придумали следующие мысленные эксперименты:

Эксперимент 1. Представь, что твой друг на другой стороне Земли играет в мяч. Если он бросит мяч вверх, куда тот полетит?[120]

Эксперимент 2. Представь, что у этого друга есть бутылка сока и он ее открыл и поставил на землю. Сок выльется из бутылки или нет?

Эксперимент 3. Представь, что у тебя в саду есть очень, очень глубокий колодец. Такой глубокий, что проходит через центр Земли и выходит с другой стороны. Если бросить в такой колодец камень, что с этим камнем произойдет?

А вы как думаете? Скорее всего, вы считаете, что в первом мысленном эксперименте мяч упадет на землю, а во втором — сок останется в бутылке. Но как насчет камня в третьем случае? Люди размышляли об этом еще в Средние века. Мыслители в то время разделились на два лагеря. Первые считали, что камень остановится в центре Земли (этот взгляд проповедовал ученый Готье Мецский[121]), а вторые — что он будет летать туда-обратно, как маятник (сторонником этой гипотезы был Альберт Саксонский[122]). Сегодня физики соглашаются со вторым взглядом, делая оговорку, что сопротивление воздуха будет замедлять камень при каждом прохождении через земную кору, поэтому в итоге он застынет в центре Земли. Он не остановится немедленно, но и не будет колебаться бесконечно.

Взрослых заставляет всерьез задуматься только третий мысленный эксперимент. В первых двух результат известен. А для дошкольников все не так просто. Они обычно не знают или не верят, что на другой стороне планеты живут люди, и утверждают, что во всех трех экспериментах предметы покинут Землю и улетят в космос. В этих ответах скрыто представление о том, что гравитация действует «прямо вниз» — то же самое, что и у малышей в задаче с трубками.

Рис. 4.5. Средневековые физики дискутировали о том, что произойдет, если бросить камень в дыру, проходящую через центр Земли. Живший в XIII веке мыслитель Готье Мецский утверждал, что камень остановится в центре Земли

Старшие дети признают, что люди живут на другой стороне планеты и что мячи там падают так же, как наши, но судьба камня уже не вызывает такой уверенности. Большинство соглашается с Готье Мецским и говорит, что камень остановится в центре Земли. Этот ответ символизирует новое представление о гравитации — тянущей не вниз, а внутрь. Кажется, что камень остановится в самой внутренней точке Земли, потому что именно оттуда исходит гравитация.

Не удивительно, что старшие дети отвечают точнее, но возраст здесь не единственный фактор. Очень большое значение имеют и познания о Земле. Чем больше дети знают о ее форме и движении, тем сложнее их реакции на эти мысленные эксперименты о гравитации независимо от возраста. Несомненно, представление о Земле как о вращающейся сфере помогает воспринимать гравитацию как силу, тянущую внутрь, а это, в свою очередь, помогает им представлять Землю как вращающуюся сферу. Понятие гравитации нельзя усвоить отдельно. Она внутренне связана с рядом других представлений: об опоре, о свободном падении, весе, массе, об ускорении и о планете в целом. Чтобы сформировалось сложное представление о гравитации, у ребенка уже должно быть сложное представление о материи, движении и космологии.

Связи между всеми этими областями порождают парадокс: как пересмотреть любое из представлений, если для этого требуется одновременно пересмотреть еще несколько? Философ Отто Нейрат однажды сравнил эту проблему со строительством корабля посреди океана: «Нельзя начать с чистого листа. Придется что-то сделать со словами и концепциями, которые имеются в начале рассуждений… Мы как моряки, которым в открытом море нужно перестроить корабль. Начать снизу, с днища, невозможно. На место убранной балки нужно тотчас поставить новую, и для этого весь корабль используется как опора. Из старых балок и плавающей древесины корабль можно совершенно перестроить, но только постепенно»[123].

Нейрат был философом, а не психологом, но его метафора согласуется с нашими знаниями об обучении научным концепциям. Это медленный и трудный процесс, потому что для этих концепций нет готовых образцов. Приходится постоянно заменять одно приближение реальности (например, «предметы падают без контакта снизу») другим («предметы падают без контакта под их центром масс»). После многократных пересмотров новые теории оказываются совсем не похожи на старые, но их происхождение очевидно. Любой астроном когда-то был ребенком, отрицавшим, что на другой стороне Земли могут жить люди, а все физики в младенчестве не могли проследить за мячиком, если бросить его в аппарат с изогнутыми трубками. Какой могучий корабль мы строим из скромной лодки!