А почему они оттуда не падают?
Тедди: Потому что если оказаться на их месте, Земля будет под ногами.
Я: А почему гравитация не стягивает их с Земли?
Тедди: Потому что гравитация — не на поверхности земли, а внутри.
Убедившись, что Тедди осознал шарообразность Земли, я задал вопрос о смене дня и ночи.
Я: Как ты думаешь, почему бывает день и ночь?
Тедди: Дело в Солнце и Луне.
Я: И как они действуют?
Тедди: Ну, Земля движется вокруг Солнца, и когда она к нему приближается, наступает день.
Я: А ночь?
Тедди: Ночью к Земле приближается Луна.
Я: А куда прячется Луна, когда ночи нет?
Тедди: Она остается на своем месте.
Я: То есть где?
Тедди: Я не знаю. Точно не рядом с Калифорнией.
Тедди знал, что за смену дня и ночи отвечает движение Земли, а не Солнца, но еще не понял, что она вращается вокруг своей оси, и считал, что дело просто в обращении Земли вокруг Солнца.
Такие мысли типичны для детей, которые только что открыли для себя, что Земля имеет форму шара. До этого они проходят через два этапа[167]. Сначала они объясняют день и ночь с точки зрения перекрытия: день — это когда Луна скрыта какими-то объектами в земной атмосфере (облаками или горами) и светит только Солнце, а ночь — это когда Солнце скрыто, а Луна остается светить одна. Затем они переходят к мысли, что Солнце и Луну закрывает сама Земля: Солнце поднимается над ее поверхностью, а Луна опускается ниже, и наоборот. Осознав, что Земля — шар, дети переходят к более сложным взаимодействиям между небесными телами. Они начинают считать, что Солнце вращается вокруг Земли или что Земля вращается вокруг Солнца. Последнее, конечно, верно, однако дети сначала не понимают, что это движение — причина годичных, а не дневных циклов. Мысль, что Земля вращается и вокруг Солнца, и вокруг своей оси, обычно приходит только в раннем подростковом возрасте.
Рис. 6.4. Прежде чем узнать, что Земля вращается вокруг своей оси, дети придумывают альтернативные объяснения цикла дня и ночи в зависимости от того, воспринимают они Землю как плоскость (вверху) или как шар (внизу)
Прогресс в понимании смены дня и ночи явно прослеживается в ответе на простой вопрос: что такое день?[168] Исследователи, задававшие его детям с первого по восьмой класс, пришли к выводу, что в начальной школе определения обычно связаны с деятельностью, характерной для дневных часов: «день — это когда не спишь» или «день — это когда ходишь в школу и играешь». В таком возрасте как будто нет связи между восприятием дня и движением небесных тел. В средних классах вероятность появления таких связей выше, так как день определяется с точки зрения процессов, которые его вызывают. Как объяснил один тринадцатилетний школьник, «день — это полный оборот Земли, то есть на триста шестьдесят градусов. День длится двадцать четыре часа. В году триста шестьдесят пять дней. Год — это когда Земля полностью обходит вокруг Солнца».
Умение подростков дать такое определение довольно примечательно с исторической точки зрения. Человечеству потребовались тысячи лет, чтобы открыть, что Земля имеет форму шара, а затем еще сотни лет, чтобы понять, что Земля движется. Сегодня большинство детей узнаёт об этом в первые десять лет своей жизни. Скорость усвоения этого знания, однако, не должна умалять его сложности.
Чтобы понять, почему Солнце восходит и заходит и почему в году триста шестьдесят пять дней, нужно осознать три фундаментальных принципа. Сначала ребенок должен уяснить разницу между Землей как планетой и землей как поверхностью и понять, что Земля — это не плоскость, а шар. Затем он должен усвоить, что движение Земли совсем не такое, как мы его воспринимаем. Он должен узнать, что Земля постоянно вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, а не находится в состоянии покоя. Наконец, ему нужно почувствовать разницу между взаимосвязями Земли с Солнцем и Земли с Луной. Луна вращается вокруг Земли, а вокруг Солнца вращается сама Земля. Разобраться во всем этом нелегко. Это намного сложнее, чем заучить столицы государств и таблицу умножения, так как для этого нужно не просто запомнить информацию, но и осмыслить ее.
Узнав о ложных детских моделях мироустройства, вы можете возгордиться собственными познаниями в этой области. Но сможете ли вы объяснить космологические явления, за исключением смены дня и ночи? Например, приливы? Да, Луна оказывает гравитационное воздействие и притягивает земные океаны, но как конкретно это объясняет приливы? Почему, например, за один день происходит два приливных цикла, если Луна совершает оборот вокруг Земли почти за месяц? Знаете ли вы, почему Луна в течение месяца выглядит по-разному? (Подсказка: не потому, что ее то больше, то меньше закрывает тень Земли.) Почему на Земле меняются времена года? (Подсказка: дело не в том, что летом она ближе к Солнцу, чем зимой.)
Даже если вам кажется, что вы знаете правильные ответы, я все равно советую проверить себя в интернете. Например, большинство людей считают, что знают причину смены времен года, хотя в реальности понимают это явление немногие. В одном из исследований примерно 90% недавних выпускников Гарварда утверждали, что времена года связаны с близостью Земли к Солнцу[169]. В действительности же причина заключается в том, что земная ось наклонена на 23,4 градуса, поэтому во время вращения Земли вокруг Солнца количество солнечного света, падающего на Северное полушарие по отношению к Южному, меняется. (Это также объясняет, почему когда в Северном полушарии лето, в Южном — зима, и наоборот.) Расстояние от Земли до Солнца действительно меняется в течение года, но меньше чем на 4%, что мало влияет на среднесуточную температуру.
Основанные на близости к Солнцу толкования времен года очень популярны и довольно устойчивы. В одной работе ученые пытались скорректировать их у старшекурсников Дартмутского колледжа, преподавая им объяснение, связанное с наклоном[170]. Ученые показывали в качестве наглядного пособия видеоролики, снятые НАСА для детей. Перед занятиями 8% студентов объясняли времена года наклоном оси, а 92% — близостью к Солнцу. После занятий — 10 и 90% соответственно. Видеоролик не возымел практически никакого эффекта. Хотя участники получили довольно много фактической информации — узнали точную форму земной орбиты и точный угол наклона земной оси, — это не обогатило их концептуальных знаний.
Может быть, ролики НАСА были не слишком удачными и поэтому ничему не научили студентов? Однако есть и другие причины полагать, что у взрослых есть глубоко укоренившиеся ошибочные представления о мироустройстве. В одном из исследований было обнаружено, что они часто даже не понимают по-настоящему, что Земля — шар[171]. Студентам давали шесть городов — Берлин, Рио-де-Жанейро, Кейптаун, Сидней, Токио и Лос-Анджелес — и просили оценить расстояние между ними. Города расположены на разных континентах, поэтому пути между ними должны опутывать весь земной шар. Полученные оценки обрабатывали алгоритмом, который на их основе вычислял подразумеваемый радиус Земли.
Если участник хронически недооценивал расстояния, радиус получался меньше фактического (6371 километр), а если переоценивал — больше. Оказалось, что к ответам участников лучше всего подходит бесконечный радиус, так как их оценки невозможно нанести на сферу любого размера. С геометрической точки зрения шар с бесконечным радиусом — это просто плоскость. Другими словами, в оценках расстояний между городами была заложена идеально плоская Земля, аналогичная ранним детским представлениям. Можно предположить, что плохое умение оценивать расстояние связано с популярностью двухмерных карт, но это тоже результат: к искажениям, неизбежным в двухмерных проекциях сферы, мы относимся как к истинному изображению евклидового расстояния.
Сам я впервые четко ощутил эти искажения в разговоре с соотечественницей во время поездки в Швейцарию. Я прилетел в Цюрих из Лос-Анджелеса, а она — с Аляски. Узнав о ее маршруте, я посочувствовал, что лететь ей пришлось гораздо дольше. «Отнюдь нет», — возразила она. Оказалось, что ее полет длился на два часа меньше. Дело в том, что самолет летел над Полярным кругом, а не через «нижние» 48 штатов, как я себе представлял.
Моя ошибка была простой, но она очень меня смутила. Мне не пришло в голову, что кратчайшее расстояние между Швейцарией и Аляской пролегает по верхней части глобуса. Были ли мои представления о географии так же оторваны от астрономии, как представления дошкольников о смене дня и ночи от их знаний небесных тел? Наверное, да. Истинную природу небесной системы нелегко уловить, иначе все отвергали бы изображения Солнечной системы, в которых Земля в два раза больше Солнца (она на самом деле в сто с лишним раз меньше), а расстояние между Землей и Луной всего вдвое меньше, чем расстояние между Землей и Солнцем (на самом деле Солнце расположено более чем в сотню раз дальше).
Мы не просто не отвергаем такие представления, но и даже не замечаем их ошибочность. Геометрически (и механически) точное восприятие Солнечной системы не приходит с теоретическим знанием о ее размерах и строении. Не помогают и поездки по самой Земле. Опыт легко подводит и детей, и взрослых, потому что астрономические явления нельзя в полной мере оценить с нашей перспективы. В качестве примера я люблю приводить комментарий на странице НАСА в Facebook. Под фотографией восхода Солнца на Марсе кто-то написал: «Понятия не имел, что у Марса есть свое солнце». От такого заявления Коперник, наверное, в гробу перевернулся.