Рис. 5.1. Предмет, скатывающийся со стола или выпущенный движущимся носителем, упадет на землю по параболе (неразрывные линии), хотя многие люди с этим не согласны (пунктирные линии)
В другом варианте задания участников просили нарисовать траекторию сброшенной с самолета бомбы. В реальности она, как и шарик, будет следовать по параболе, но большинство участников полагают, что падать она будет прямо вниз. Видимо, они думают, что бомба, в отличие от самолета, находится в состоянии покоя, поэтому не придают ей никакой горизонтальной скорости аналогично сброшенному вниз ядру.
Может быть, самое вопиющее доказательство скрытой веры в импульс дают задачи, в которых нужно нарисовать траектории предметов, разгоняющихся криволинейно: шар, который выпустили из искривленной трубы, раскрученный на веревке мяч, брошенное лассо. Все они будут идти по прямой линии — по касательной к кривой в момент отрыва, но многие люди полагают, что движение по кривой продолжится. Видимо, они думают, что для этого не нужны никакие внешние силы (поверхностная сила трубы или сила натяжения веревки).
Рис. 5.2. Предметы, ускоряющиеся по криволинейной траектории, будут двигаться по прямой (неразрывная линия), если перестанет действовать сила, вызывавшая ускорение. Но многие люди думают, что тело сохранит криволинейную траекторию (пунктир), приписывая ему соответствующий импульс
Рисунки участников имеют смысл только в рамках теории импульса, потому что только он может толкать предмет по кривой траектории при отсутствии внешних сил. Более того, они идут вразрез с повседневным опытом. В одном из исследований участников просили, например, нарисовать, как будет литься вода из свернутого шланга и как полетит пуля из изогнутого ствола[128]. В обоих случаях предположение было верным — по прямой. Но когда участников просили нарисовать путь шара из изогнутой трубы, они рисовали искривленные траектории. Напоминание об аналогичных реальных ситуациях не влияло на основанные на импульсе рассуждения, которые по умолчанию включались в новом эксперименте.
В следующей задаче, призванной выявить основанные на импульсе схемы рассуждения, участникам демонстрировали движущиеся предметы и просили отметить стрелками действующие на них силы. Довольно часто участники рисовали импульс непосредственно[129]. На траектории подброшенной монеты многие изображали две постоянные силы: тянущую вниз гравитацию и действующую вверх силу, которую участники называли «силой» или «импульсом» монеты — и то и другое псевдонимы импульса. Когда монета взлетала вверх, эта сила на рисунках была больше, чем сила тяжести. На вершине они сравнивались, а при падении силу тяжести рисовали как большую. Из этого явно следует, что участники были уверены, что подбрасываемой монете передается импульс, который иссякает по мере движения. В точке, где обе силы равны, монета перестает подниматься и начинает опускаться. Интуитивное представление, что движение подразумевает силу, приводит к тому, что люди придумывают несуществующие силы. В реальности на монету во всех точках ее траектории действует только гравитация. Скорость движения вверх уменьшается, потом исчезает, и монета начинает лететь вниз.
В случае неподвижных предметов участники часто игнорируют реально существующую действующую вверх силу поддерживающей поверхности, известную физикам как сила нормальной реакции[130]. В отличие от движения, состояние покоя интуитивно не подразумевает наличия сил, однако без них предмет тянуло бы силой гравитации сквозь поверхность.
Ученые часто просили объяснить рисунки траекторий и сил, действующих на движущиеся предметы. Участники редко упоминали импульс, во всяком случае не называли его так. Они описывали нечто, играющее эту роль, более знакомыми словами: «внутренняя энергия», «внутренняя сила», «сила движения». Подумайте над следующими объяснениями, которые дали студенты-старшекурсники в беседе о физическом движении:
— Импульс, выталкивающий шар из изогнутой трубы, заставляет его идти по дуге. Сила, которую получает шар, в конце концов рассеивается, и он начинает лететь по обычной прямой линии[131].
— Сила движущегося шара передается покоящемуся. Она переходит от одного к другому.
— Шар, который находится в движении, обладает определенной силой. Движущийся предмет имеет силу импульса, а поскольку никакая другая сила не противодействует, он будет продолжать двигаться, пока ему что-то не помешает.
Эти объяснения созвучны объяснениям средневековых физиков, описанным в первой главе. Один из них, Жан Буридан, объяснял движение снаряда следующим образом: «Движущееся тело содержит в себе определенный импульс, определенную силу… действующую в том направлении, куда тело двигали: вверх, вниз, вбок, по кругу. Благодаря импульсу камень летит и после того, как бросивший перестает на него действовать. Но импульс постоянно уменьшается из-за сопротивления воздуха и тяжести камня»[132]. Даже Ньютон однажды объяснил движение снаряда с точки зрения импульса. В записной книжке, датируемой 1664 годом, он, тогда еще в студенческом возрасте, писал, что «движение не поддерживается переданной [извне] силой, потому что сила должна быть передана от двигающего движимому»[133]. В конце концов Ньютон отказался от представлений о передаче силы, но для него, как и для всех нас, они стали отправной точкой в рассуждениях о движении.
Не стоит думать, что теория импульса — это банальное ошибочное представление без очевидных последствий. Эксперименты показали, что она влияет на взаимодействие человека с реальными трехмерными предметами. Например, участникам давали мячи для гольфа и просили бросить их в цель, быстро проходя мимо нее, как самолет бросает бомбу[134]. Большинство отпускали мяч прямо над целью, игнорируя его горизонтальную скорость, и промахивались. Люди исходили из того, что у мяча нет собственного «импульса» и он упадет прямо вниз. Справлялись с задачей только те, кто выпускал мяч перед целью. Мяч в этом случае падал вперед по параболе, аналогичной траектории ядра, сброшенного с мачты плывущего корабля.
В другом задании участников просили запустить хоккейную шайбу через изогнутую трубу. Многие старались придать шайбе ускорение по непрямой траектории, прежде чем выпустить ее, как будто пытаясь передать ей криволинейный импульс. Они промахивались. Единственный способ успешно выполнить задание — это запустить шайбу по касательной к центру искривленной трубы.
Взаимодействия с физическими предметами не всегда находятся под влиянием импульса. Опытный хоккеист, например, не будет пытаться запустить шайбу по кривой, потому что знает, как она на самом деле движется. Опытные бейсболисты не встают под верхней точкой дуги летящего мяча, ожидая, что он упадет прямо им в рукавицу, а опытные футболисты не бьют по переданному мячу перпендикулярно его направлению, ожидая, что удар «пересилит» имеющуюся скорость мяча. Научиться правильно взаимодействовать с движущимися предметами можно, но наши инстинкты не оптимальны и основаны скорее на импульсе, а не на инерции.
Рисуя путь шарика, который скатывается со стола и еще некоторое время движется параллельно земле, мы фактически рисуем путь Хитрого койота из мультфильма, который гонится за Дорожным бегуном и падает с обрыва. Странно, что у нас такие ожидания в отношении шарика, учитывая, что мультфильм нас не может обмануть. Мы понимаем, что Койот должен упасть, как только сделает шаг с обрыва, и поэтому нас развлекает, если этого не происходит. Траектории, основанные на импульсе, выглядят правдоподобно только на бумаге. Видя их воочию, мы легко замечаем их неестественность, «мультяшность». Ученые отслеживали мозговую активность у людей, смотрящих мультфильм вроде «Дорожного бегуна», и обнаруживали признаки выявления неестественности движения уже в течение трехсот миллисекунд. Это так быстро, что мозг даже не успевает осознать увиденное[135].
Рис. 5.3. Нам часто кажется, что снаряд будет двигаться по непараболической траектории, но ошибочность таких прогнозов становится очевидна, если увидеть их своими глазами, как, например, в этом мультфильме
Перцептивные ожидания по отношению к движению оказываются намного точнее, чем концептуальные. Например, если попросить выбрать, по какой из нескольких траекторий пойдет шарик, вылетевший из изогнутой трубы, и показать анимацию, люди правильно отдают предпочтение прямой линии, а не изогнутой. Но если те же траектории предложить в виде статичных рисунков, многие ошибутся, выбрав изогнутый путь вместо прямого[136]. Аналогично, если спросить, какую из нескольких траекторий примет мячик, если его раскачивать как маятник и отпустить в верхней точке (где он не имеет скорости), мы правильно отдаем предпочтение прямой линии, а не изогнутой, но только в случае анимации, а не картинки[137].
Такое же расхождение наблюдается и у детей. В одном из исследований учеников младших классов просили подумать, как полетит шарик, если сбросить его с воздушного шара, летящего параллельно земле: вперед, назад или прямо вниз[138]. Одна группа детей должна была угадать, а второй показывали, как шар падает по каждой из этих траекторий, и предлагали выбрать правильную. Почти н