Сбитые с толку. Почему наши интуитивные представления о мире часто ошибочны

Это открытие заставило Блэка разработать новую теорию тепловых явлений, но это была не кинетическая теория, принятая в современной термодинамике. Теория Блэка различала тепло и температуру, но все еще продолжала считать тепло веществом — теплородом[66]. В точках таяния и кипения теплород накапливается внутри веществ, меняя их химический состав, но не температуру. Потребовалось еще целое столетие, чтобы ученые отказались от этой теории в пользу кинетического (основанного на энергии) взгляда на тепло. Но не-ученые держатся за нее. Подобные представления лежат в основе большинства рассуждений о теплоте, хотя старое название давно забыто и теплород называют просто теплом.

* * *

Тепло — это форма энергии, совокупная энергия молекул физической системы, но мы интуитивно рассматриваем ее как разновидность вещества согласно с описанными выше устаревшими теориями. Интуитивные теории тепла совпадают с историческими воззрениями во многих аспектах, начиная с формулировок. Тепло описывают как нечто движущееся само по себе («тепло из ванны уходит, рассеивается, улетучивается). Его можно поймать и сдержать («теплица удерживает солнечное тепло», «закройте дверь, чтобы не напустить жары»). Для некоторых это просто метафора. Проще сказать «все тепло ушло из ванны», чем «вода в ванне достигла теплового равновесия с окружающей средой». Большинство же людей понимают это не менее буквально, чем фразу «из ванны вытекла вся вода» или «закрой дверь, чтобы не проникал запах».

Откуда известно о том, что эти формулировки буквальны? Например, использующие их люди делают совершенно иные прогнозы о тепловых феноменах, чем не использующие. Мы еще обсудим это. Другая причина заключается в том, что если нужно объяснить «вещественные» формулировки, то многие излагают теорию, полностью основанную на веществе, как в представленной ниже беседе между ученым, исследующим преподавание физики, и студентом колледжа, изучающим физику:

Ученый: Вы только что использовали глагол «перетекать» для описания процесса передачи тепла[67]. Как представляете себе передачу тепла в этом вопросе?

Студент: Как движение воды. Вода течет из более высокого места в более низкое, а тепло — из более теплой области в более холодную. По-моему, принцип схожий.

Другое сходство между интуитивными и историческими теориями тепла заключается в том, что в обоих случаях проводится различие между теплом и холодом и, следовательно, между источниками холода и источниками тепла. Холод — это не более чем восприятие определенного состояния. Вещества, отводящие тепло от тела, ощущаются холодными, а передающие телу тепло — горячими. И тем не менее по-разному воспринимаемые состояния кажутся материальными, как разные вещества. Подумайте об объяснениях, которые приводили студенты на вводном курсе физики, когда их спрашивали, почему стакан чуть теплой воды теряет температуру при контакте с кубиком льда или металлическим столом:

— Часть холода из кубика переходит в воду[68].

— Когда стакан касается металлического стола, молекулы стола добавляют чашке холода.

— Стакан становится холоднее, потому что стол передает чашке холодные молекулы, а чашка передает горячие молекулы столу. Когда это происходит, стол становится горячее, а чашка — холоднее.

В последнем объяснении высказано не только предположение, что холод отличается от тепла, но и что он состоит из другого вещества: «молекул холода». Может появиться искушение интерпретировать это объяснение с точки зрения энергетических состояний: «горячие молекулы» высокоэнергетические, а «холодные» — низкоэнергетические. Однако студент явно полагал, что от вещества к веществу передаются именно сами молекулы, а не их энергия. Взгляд на жар и холод как на дуэль двух веществ хорошо выразил другой участник того же исследования, определивший температуру как «меру смеси тепла и холода внутри предмета»[69].