Три парадокса Мпембы, или Заблудившийся паяц
О том, что горячая вода замерзает быстрее холодной, а рассеянным бывает полезнее быть, чем внимательным
13 декабря 2013 Иван КуликовРеальность — фокусник. Нужная карта оказывается не в правой руке, и не в левой, а за ухом у соседа, в другой комнате или в далеком городе. Интуиция, мышление, интеллект считают себя обманутыми, но на самом деле они обманывали себя сами. В науке таких случаев — сплошь и рядом. На той неделе целых три.
Парадокс первый: Горячее тоже мёрзнет
Когда мы с отцом заливали во дворе каток (а это был старый московский двор) из шланга, подключённого к кухонному крану, воде надлежало быть обязательно горячей. Почему? Отцовское объяснение, что горячая вода на морозе быстрее замерзает (а это были последние трескучие морозы перед тем, как по телевизору объявили о глобальном потеплении), противоречило элементарной интуиции. Мышление восставало. Тогда я ещё не знал, что имел дело с эффектом Мпембы.
В 1963 году африканский юноша Эрасто Мпемба обнаружил, к полной растерянности школьного учителя по физике, что подогретая жидкость замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная (естественно, как и холодная, пройдя стадию охлаждения до нуля градусов Цельсия). Английский физик Денис Осборн, посетив с лекцией Дар-эс-Салам, где юноша учился, этот факт проверил и в конце 60-х опубликовал совместно с Мпембой статью в серьёзном научном журнале. Есть с десяток объяснений эффекта Мпембы от быстро опровергнутых (горячая вода быстрее испаряется, поэтому замерзает меньший её объём) до витиеватых и сложно проверяемых. Все они туманны и сомнительны. Над странным феноменом размышляли Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт, но объяснения эффекта у физиков нет до сих пор.
В Сингапуре, в Наньянском технологическом университете, тоже задумались над эффектом Мпембы. Разгадка, как считают там, кроется в водородных связях. На эту тему на сайте научных электронных препринтов arxiv.org появилась недавно целая статья. Вспомним школьные уроки химии, хрестоматийную Н2О. В этой молекуле атом водорода расходует единственный электрон, связываясь с атомом кислорода (такая связь называется ковалентной). Кислород тратит на ковалентную связь с двумя атомами водорода два электрона, а два остаются у него незанятыми. Из-за такого электронного мезальянса молекула воды полярна: её кислородный «выступ» имеет отрицательный заряд за счёт свободных электронов, а водородные — положительный. Каждый положительно заряженный выступ (то есть сильно «оголённый» атом водорода) притягивается к соседнему отрицательно заряжённому, связываясь со свободным электроном другой молекулы воды.
Такая межмолекулярная связь и носит название водородной. Нетрудно подсчитать, что каждая молекула воды образует с другими четыре водородные связи.
Водородные связи не такие сильные, как ковалентные, но достаточно сильные, чтобы температура кипения составила не 70 градусов по Цельсию (если энергию этих связей вычесть), а 100. Не исключено, что межмолекулярные связи виноваты и в более быстром замерзании воды. Логика следующая. При нагревании воды водородные связи растягиваются с увеличением расстояния между молекулами. Растяжение означает запасание энергии (как у пружины, в которой при растяжении кинетическая энергия накапливается, а потом высвобождается при сжатии). При охлаждении дополнительная энергия, запасённая в растянутых водородных связях, высвобождается, а поскольку потеря дополнительной энергии вызывает и дополнительное падение температуры, тёплая вода замерзает быстрее, чем холодная. В статье подсчитано, что дополнительной энергии, накопленной в водородных связях, достаточно, чтобы влиять на темпы замерзания воды.
Красиво, но это пока гипотеза. Требуются сложные вычисления на компьютере плюс точные и нетривиальные эксперименты для проверки математической модели, которая описывает разные энергетические сценарии охлаждения и замерзания воды. Только после этого можно увериться, что эффект Мпембы разгадан. Пока же остаётся мириться с вопиющим фактом, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Помните об этом, когда будете заливать каток.
Парадокс второй: реванш в облаках
Эффект Мпембы — один из множества примеров, как наше мышление достраивает картину миру, которая в итоге может категорически не совпасть с реальностью. Мышление нас обманывает. Вода не стремиться поразить нас никакими «фокусами»: реальность такая, какая она есть, и если какая-нибудь часть реальности противоречит нашему представлению о ней, мы называем это парадоксом. Хуже, когда мышление становится серьёзным препятствием в усвоении собственного жизненного опыта. А то, что это так, психология подтверждает регулярно на не менее простых примерах, чем скорость замерзания воды.
Представим, что специальные, хорошо опробованные тесты выявили в группе внимательных, сосредоточенных людей и людей рассеянных, несобранных. Следующий тест должен показать, кто в этой группе лучше самообучается. Обычно это какой-нибудь несложный тест на реакцию и внимание. Например, нужно предугадать место, где появится тот или иной значок на экране монитора. В ходе теста правила поведения значков начинает изменяться, но разные люди усваивают их по-разному. Вопрос: кто лучше справится с этим тестом — более внимательные или более рассеянные?
Вопреки интуиции тесты однозначно показали, что быстрее и лучше самообучаются именно рассеянные люди, а не более собранные и сосредоточенные. Этот психологический «эффект Мпембы», озвученный намедни в одном из докладов на международной конференции Neuroscience-2013, был случайно зафиксирован группой психологов из Университета Джорджтауна, которая изучает механизмы самообучения. Точнее, такую базовую его разновидность, как спонтанное, скрытое обучение, известное как implicit learning.
Простой и наглядный пример спонтанного скрытого обучения — самостоятельное приобретение полезных навыков. Предположим, два ваших друга, один рассеянный, другой — образец самоконтроля, учатся метать дротики. Сколько бы советов вы ни дали, сколько бы пособий по игре в дартс они ни проштудировали, каких бы тренеров ни наняли, ни у кого не выйдет с первого раза загнать все дротики в десятку. Правила знают оба, но одной теории мало: научиться некоторым вещам можно лишь на собственном опыте.
Банальный пример, но важно другое. Выходит, что согласно обнаруженной зависимости шансов попасть в десятку у друга-копуши, который вечно витает в облаках, больше, чем у полной его противоположности! Именно эту зависимость выявили психологические тесты, о которых шла речь выше. На самом деле об эффекте «горя от ума» хорошо известно и преподавателям иностранных языков, и разного рода инструкторам и спортивным тренерам, которые регулярно призывают подопечных не концентрировать внимание на своих и чужих действиях, подавить самоанализ и перестать постоянно контролировать свои ошибки. Проще говоря — выключить свой мозг. Расслабиться. Довериться процессу, который интеллект пытается, но не в состоянии контролировать и лишь всё портит.
«Выключить мозг» — рецепт успеха не только при тренировке физических и моторных навыков, но также в некоторых случаях интеллектуальной деятельности. Ведь что, как не интеллект, подсказывает нам, будто горячая вода замерзает дольше, чем холодная?
Парадокс третий: праведники проигрывают негодяям
Что, как не интеллект, подсказывает, что центры мозга, которые реагируют на чужую боль, должны проявлять большую активность при виде физических страданий приятных нам людей, а не отъявленных мерзавцев?
Между тем наш мозг, как показывает магниторезонансная томография, поступает ровно наоборот. И это ещё один «эффект Мпембы», озвученный на той неделе нейрофизиологами из Университета Южной Калифорнии в научном журнале Frontiers in Psychology. С точки зрения эволюции такое поведение объяснимо: любая информация о существах, которые потенциально угрожают нашей жизни, ситуативно более важна для мозга, чем информация о тех, кто не несёт угрозы или полезен. Можно сказать и так: интерес к страданиям «плохих» критически перевешивает интерес к страданиям «хороших» в плане оценки нашей выгоды от ущерба, причинённого страданиями врагам. Страдания «плохих» более выгодны, поэтому и более интересны.
Но объяснение работы мозга не так здесь важно, как упрямство нашего мышления, которое в очередной раз пыталось нас надуть — логично дорисовать картину противоположную той, что есть на самом деле. Пожалуй, именно этот момент здесь наиболее интересен, а не скорость замерзания воды или электрические разряды нервных клеток. Мышление как будто не совпадает с мозгом — забегает вперёд, несёт убедительную чушь, быстро обнаруживает, что ошиблось номером, и где происходит что-то интересное, тушуется и берёт слова назад, когда ему предъявляют факты. Но что это за навязчивый суфлёр, который диктует ему реплики, как будто взятые из альтернативной пьесы, где горячее замерзает медленнее, чем холодное, страдания праведников стоят на первом месте, а рассеянные плохо учатся на своих ошибках? Кажется, мы просто переводим стрелки. Вернее предположить, что суфлёр — это реальность, а мышление — актёр, который перепутал реплики, роли и время выхода на сцену. Или хуже — пьесу. Нет, ещё хуже — театр, где разыгрывается другая, параллельная действительность, к которой он подстраивается на ходу. Забавный заблудившийся паяц.