Эндрю Штульман - Сбитые с толку

— Часть холода из кубика переходит в воду [68] Chang and Linn, 2013; Erickson, 1979. .

— 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» [69] Erickson, 1979. .

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, хл о пок от природы лучше улавливает тепло, чем керамика) [70] Clough and Driver, 1985; Clark, 2006. . 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 самог о 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 [71] Cross and Rotkin, 1975. . 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 [72] Corlett, Wilson and Corlett, 1995. .

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 б о льшую 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 [73] Slotta, Chi and Joram, 1995. .

Это одна из нескольких парных задач, разработанных исследовательской группой психолога Мишлен Чи [74] Chi, Slotta and De Leeuw, 1994. . 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.