Эндрю Штульман - Сбитые с толку

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!

Средневековые физики, как и современные, дискутировали по поводу своих теорий, соглашаясь в некоторых пунктах, но расходясь в отношении других [124]. В частности, они полагали, что предметы приводятся в движение переданной им силой, «импульсом», и что предметы движутся, пока импульс не иссякнет, как уже было отмечено в первой главе. Однако они не могли прийти к консенсусу, может ли импульс принимать разные формы и как он взаимодействует с другими физическими силами.

Одни физики считали, что импульс рассеивается сам. Другие были убеждены, что он остается в предмете, пока его не истощат внешние силы, например трение и сопротивление воздуха. Кроме того, были различные мнения о том, когда на импульс начинает влиять гравитация: с момента, когда объект начал движение, или только после того, как импульс опустился ниже определенного порога. Согласно одним теориям, перемещаемые предметы должны приобретать импульс носителя, согласно другим — нет. Не было единогласия, может ли импульс вызывать криволинейное движение или только прямолинейное.

Все эти разногласия были неразрешимы, потому что никакого импульса не существует в природе. Дискуссии, рассеивается ли он сам по себе или нет, похожи на рассуждения о том, носят ли гномы шляпы. Никаким экспериментом этот вопрос разрешить не получится, потому что он неправильно поставлен. Первым человеком, понявшим его бесплодность, был Исаак Ньютон. В «Началах» он изложил три закона, которые навсегда изменили понимание движения. Вот они:

1. Движущееся тело продолжает двигаться, пока на него не действует внешняя сила.

2. Сила, действующая на массу, вызывает ускорение.

3. Каждое действие рождает равное по силе противодействие.

Эти законы, без сомнения, вам знакомы. Их изучают на уроках физики и часто иллюстрируют стандартными картинками: шарик бесконечно катится по не имеющей трения поверхности (первый закон); кубик движется под уклон, набирая скорость (второй закон); две тележки после столкновения откатываются в противоположных направлениях (третий закон). Но что означают эти принципы? И почему они сделали представление об импульсе устаревшим? Несмотря на заучивание формулировок и соответствующих формул (F = ma, p = mv), многие из нас в повседневной жизни по-прежнему полагаются на импульс, чтобы объяснять и предсказывать движение [125]. Чтобы понять законы Ньютона, посмотрим, почему они дают картину движения, отличную от той, которая нарисована нашей интуицией.

Подсознательно мы относимся к силе и движению как к неразделимым сущностям: сила подразумевает движение, а движение — силу. Классическая сила толкает или тянет тело. И то и другое приводит его в движение. Но что заставляет его продолжать двигаться? Что поддерживает движение на расстоянии? Интуиция подсказывает, что сила, с которой толкнули или потянули тело, передается ему. На движение явно влияют различные факторы, например гравитация и трение, но они, видимо, не вызывают движение, а лишь противодействуют ему, меняя направление и замедляя. Именно поэтому мы не считаем гравитацию и трение силами. Даже называя их так, мы воспринимаем их скорее как антисилы.

Благодаря теории Ньютона силы перестали быть свойствами объектов и стали взаимодействиями между объектами. Силу можно приложить к телу, но нельзя передать ему. Ньютон показал, что интуитивно связывать силу с движением неправильно. Движение может существовать и в отсутствие силы (например, комета, бесконечно летящая в космическом пространстве), а сила — без движения (например, стол, который поддерживает тарелку, противодействуя силе гравитации). Движение и сила разделимы, потому что силы вызывают не само движение, а изменения направления и скорости движения. Скорость и направление тела фундаментально отличаются от его ускорения и изменения направления. Сила требуется только во втором случае.

Чтобы увидеть разницу между интуитивным и ньютоновским представлениями о силе, вспомните мысленный эксперимент из первой главы: одной пулей стреляли параллельно земле, а вторую роняли с той же высоты. Большинство людей считает, что вылетевшая из ствола пуля окажется на земле позже, чем падающая, потому что пистолет передает ей некую дополнительную силу, способную некоторое время противодействовать гравитации. В реальности различие в горизонтальной скорости между пулями только сбивает с толку и никак не влияет на гравитацию, которая тянет обе пули к земле с тем же ускорением. Пуля из пистолета просто преодолеет при падении большее расстояние.

Ньютон изменил не только понимание силы, но и понимание движения. Интуитивно кажется, что движение — это что-то отличное от состояния покоя. В первом случае требуется объяснение, а во втором — нет. Кроме того, разные виды движений — подъем и падение, движение по окружности и вокруг своей оси — требуют разных объяснений. А Ньютон доказал, что движение и состояние покоя — это две стороны одной медали, разные ипостаси инерции. Состояние покоя — это всего лишь способ описания тела, движение которого незаметно. Книга на полке неподвижна по отношению к человеку, но движется по отношению к земной оси со скоростью 1674 километра в час и по отношению к Солнцу со скоростью 108 тысяч километров в час. Поэтому если движение требовало бы объяснения, то и состояние покоя тоже. Однако Ньютон доказал, что объяснять нужно не движение, а лишь изменения движения.