Сбитые с толку - Эндрю Штульман

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^[71]. 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].

* * *

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^[73].

Это одна из нескольких парных задач, разработанных исследовательской группой психолога Мишлен Чи^[74]. 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^[75].

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^[76]. 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.