Большинство людей скажут, что пуля, которой вы выстрелили, окажется на земле позже, поскольку толкающая вперед сила будет дольше удерживать ее в воздухе. Пушечное ядро же упадет за кормой, так как корабль успеет отплыть, пока оно будет лететь вниз. Ни то ни другое не соответствует действительности.
На вылетевшую из ствола пулю не действует какая-то дополнительная сила, удерживающая ее в воздухе. Обе пули под действием гравитации упадут на землю одновременно, хотя и в сотнях метров друг от друга. Что касается ядра, то оно ударится о палубу прямо под «вороньим гнездом», так как будет иметь ту же горизонтальную скорость, что и корабль. Корабль действительно успеет отплыть от того места, где вы столкнули ядро. Однако ядро будет падать не по прямой, а опишет параболу по направлению движения корабля, которая складывается из горизонтальной скорости и ускорения свободного падения под действием гравитации.
Как правило, люди решают эти задачи неправильно. Дело не в том, что эти ситуации какие-то необычные: в обоих случаях речь идет просто о падающих предметах. Проблема в том, что предсказания вытекают из интуитивной теории движения, согласно которой объекты движутся тогда и только тогда, когда им передалась внутренняя «сила», импульс. Термин «сила» я взял в кавычки, потому что интуитивное представление о силе не совпадает с тем, что под этим термином подразумевают ученые (произведение массы и ускорения). Силы могут изменить движение предмета, но не являются его свойствами. Это взаимодействия между предметами (это будет рассмотрено в пятой главе).
При этом ненаучные представления о силе и отношениях между силой и движением очень связанные. Возьмем, например, изложенные выше примеры: ложный прогноз, что предмет, движущийся горизонтально (пуля), будет дольше противиться гравитации, чем при отсутствии такого движения, и неверное представление, что перемещаемый предмет (ядро) не наследует горизонтального движения носителя (корабля). Может показаться, что эти ответы не связаны между собой, однако они порождены тем же самым основополагающим убеждением: силы передаются брошенным телам. Мы приписываем толкающую вперед силу пуле, вылетевшей из пистолета, но не свободно падающему пушечному ядру или пуле. Кажется, будто сила, которую мы приписали пуле после выстрела, будет удерживать ее в воздухе дольше, в то время как из-за отсутствия такой силы ядро будет падать прямо вниз.
Эти рассуждения не соответствуют действительности, но при этом внутренне непротиворечивы. А еще они невероятно популярны[19]. Ложные представления, основанные на импульсе, были обнаружены у учащихся всех возрастов — от дошкольников до старшекурсников. Их выявили в Китае, Израиле, Мексике, Турции, на Украине, Филиппинах и в Соединенных Штатах. От них не были избавлены даже люди, несколько лет изучавшие физику в вузе. Можно иметь степень бакалавра по физике и все равно хранить в душе теорию импульса.
Такая последовательность простирается и назад во времени. В прошлых столетиях люди, в том числе ученые-физики, всегда были приверженцами теории импульса. Галилей, например, приводил следующие объяснения движения: «Тело движется вверх при условии, что приложенная к нему сила больше, чем сопротивляющийся ей вес. Эта сила непрерывно слабеет и, наконец, уменьшается настолько, что уже не может преодолеть вес тела»[20]. Это объяснение связано с понятием импульса, а не инерции, и сегодня, четыре века спустя, большинство людей сказали бы что-то подобное. Мысль о «влиянии движущей силы», скорее всего, выразили бы другими словами, например «внутренней энергией» или тем же «импульсом». Для физика импульс — это произведение массы и скорости, но для обычного человека это что-то вроде толчка.
В неувядающей популярности теории импульса и других интуитивных теорий со времен Галилея до наших дней примечательно то, что всегда есть причина в них усомниться. Предсказания, сделанные на основе теории импульса, не сбываются, поскольку предметы движутся не так. Если выстрелить ядром из пушки, оно опишет полноценную параболу, а не будет падать прямо вниз из-за того, что в конце концов потеряет импульс и поддастся гравитации. И тем не менее, если попросить нарисовать траекторию вылетевшего из пушки ядра, многие нарисуют параболу с отвесным участком в конце, хотя это невозможно и не происходит в реальной жизни[21]. Теория импульса успешно объясняет некоторые аспекты реальности, но делает человека слепым в случаях, которые объяснить не может.
19
Clark, D’Angelo and Schleigh, 2011; Eckstein and Kozhevnikov, 1997; Halloun and Hestenes, 1985; Howe, Tavares and Devine, 2012; Kaiser, Proffitt and McCloskey, 1985; Kaiser, McCloskey and Proffitt, 1986; Liu and MacIsaac, 2005.