Сбитые с толку - Эндрю Штульман

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 никто в первой группе не сказал, что шарик будет падать вперед, однако во второй группе большинство детей выбрали именно такую траекторию. Расхождение между перцептивными и концептуальными ожиданиями о движении проявляется уже в двухлетнем возрасте. Если малышам показать анимацию шарика, который скатывается со стола вниз по прямой, а не по параболе, они удивляются: смотрят значительно дольше^[139]. Однако дети этого возраста ищут упавший со стола мяч прямо под столом, хотя удивились бы, если бы увидели, что он и правда туда падает.

Поскольку двухлетние дети делают прогнозы на основе импульса, эта теория движения складывается на довольно раннем этапе жизни, задолго до того, как человек вообще узнает слова «движение» и «сила». А тот факт, что двухлетние делают подобные предсказания, несмотря на способность узнавать неестественные движения на анимации, подразумевает, что концептуальные ожидания о движении отделяются от перцептивных с самого начала.

Расхождения очень ярко проявились в исследованиях двигательной памяти^[140]. В серии экспериментов участникам студенческого возраста показывали, как шар вылетает из искривленной трубы по прямой, а затем просили нарисовать, что они только что видели. В большинстве случаев воспоминания подводили: на рисунках шар летел из трубы по кривой. В другом исследовании участники видели, как в воздух с одинаковой скоростью запускали два шара — большой и маленький. Шары поднимались и опускались синхронно, но участники утверждали, что маленький мяч поднимался быстрее большого, как будто на него меньше влияла гравитация. Эти же работы показали: чем дольше опыт сохраняется в памяти, тем больше появляется таких иллюзий. Со временем концептуальные ожидания всё больше перекрывают перцептивные. Мы можем признавать истинность законов Ньютона, но признание длится не дольше, чем взгляд.

* * *

Теория импульса складывается очень рано и сохраняется, несмотря на способность человека точно воспринимать движение в реальном времени. Можно ли как-то вырваться из ее оков? Придумали ли педагоги способ обучать ньютоновским представлениям о движении? В большинстве случаев при преподавании законов Ньютона используется решение задач, однако это не помогает учащимся изменить устоявшиеся взгляды. Это отчетливо проявилось в исследовании студентов, которые в течение двух лет занимались физикой по четыре с половиной часа в неделю^[141]. За это время они решили сотни, если не тысячи упражнений. Чтобы определить, дало ли это какой-то эффект, исследователи провели тест на концептуальное понимание движения, призванный отличить рассуждения, основанные на импульсе и ньютоновских принципах, и сопоставили результаты с числом задач по физике. Результаты не воодушевляли. Студенты, решившие три тысячи задач, обнаруживали основанные на импульсе рассуждения с той же вероятностью, что и студенты, решившие всего триста.