В качестве примера рассмотрим термин «сила». Ситуации, экземплифицирующие наличие силы, бывают различного рода. Это мускульное напряжение; натянутая струна или пружина; тело, обладающее весом (обратите внимание на появление другого термина, который нужно выучить), или в конечном счете определенные типы движения. Последнее особенно важно и представляет большие трудности для студентов.

В соответствии с ньютонианским использованием «силы» не все типы движения демонстрируют наличие ее референта. В связи с этим необходимы примеры, отображающие разделение между вынужденным и свободным движением. Более того, их усвоение требует подавления прочно укорененных доньютоновских интуиций.

Для детей и аристотелианцев классическим примером несвободного движения служит метание снаряда. Примером свободного движения выступает падающий камень, вращающийся волчок или вращающийся маховик.

Для ньютонианца во всех этих случаях мы имеем дело с несвободным движением. Единственный пример ньютонианского свободного движения – движение по прямой при постоянной скорости, и это может быть осуществлено непосредственно только в межпланетном пространстве. Однако учителя пытаются изобрести аналоги таких примеров. (До сих пор помню, как на лекции приводили в качестве примера кусок льда, скользящий по поверхности стекла, – это помогло мне избавиться от начальных интуиций и усвоить ньютоновское понятие «силы».) Но для большинства студентов основной путь к этому ключевому аспекту использования термина лежит через усвоение последовательности слов, известной как ньютоновский первый закон движения: «при отсутствии воздействия внешней силы тело движется прямолинейно с постоянной скоростью». Он вводит тип движения, не нуждающегося в силе, посредством дескрипции [53] .

Следует сказать несколько больше о термине «сила», но позвольте мне сначала кратко упомянуть два связанных с ним термина – «вес» и «массу». Первый относится к определенному роду силы, которая заставляет физическое тело оказывать давление на свою опору в состоянии покоя или падать, оставшись без опоры. В этом качественном смысле термин «вес» известен до ньютоновской «силы» и используется при усвоении последнего термина. «Массу» обычно определяют как величину, равнозначную «количеству материи», где материя – субстанция, из которой состоят физические тела, вещество, количество которого сохраняется при изменении свойств материальных тел. Любая характеристика, которая, как и вес, присуща физическому телу, является показателем присутствия материи и массы. Как в случае с «весом» и в отличие от случая с «силой», качественные характеристики, посредством которых устанавливаются референты «массы», совпадают с использовавшимися до Ньютона.

Но ньютоновское использование всех трех терминов является количественным, и ньютоновская форма количественного описания меняет как их индивидуальное употребление, так и взаимосвязь между ними [54] . Только единицы измерения могут быть установлены конвенционально; шкала же должна быть выбрана так, чтобы вес и масса были экстенсивными величинами и чтобы силы, таким образом, могли быть векторными. (Сравните с температурой, для которой как единицы измерения, так и шкала могут быть выбраны конвенционально.) Повторюсь: процесс изучения нуждается в непосредственном сопоставлении утверждений, содержащих изучаемые термины, с ситуациями, взятыми из природы непосредственным или опосредованным образом.

Начнем с количественного описания «силы». Студенты полностью овладевают данным количественным понятием, обучаясь измерять силу безменом или другим упругим прибором. Такие инструменты появились некогда в научной теории или практике еще до Ньютона, когда они унаследовали концептуальную роль, которую ранее играли чашечные весы. С этого времени они стали главными, по причинам скорее концептуальным, нежели прагматическим.

Использование безмена для демонстрации правильного измерения силы нуждается, как бы то ни было, в обращении к двум утверждениям, обычно считающимся законами природы. Одно из них – третий закон Ньютона, который утверждает, что сила, посредством веса воздействующая на безмен, равна и противоположно направлена силе воздействия безмена на вес. Другое – закон Гука, утверждающий, что сила, прикладываемая для растягивания безмена, пропорциональна перемещению пружины.

Как и в случае первого закона Ньютона, эти термины впервые встречаются в изучении языка, когда они накладываются на примеры ситуаций, по отношению к которым используются. Эти соотнесения играют двойную роль, одновременно устанавливая, как должно употребляться слово «сила» и как ведет себя мир, наполненный силами.

Обратимся теперь к количественному описанию терминов «масса» и «вес». Оно особенно ясно иллюстрирует ключевой аспект процесса овладения словарем, который до того не был изучен. В этом отношении мое обсуждение терминологии Ньютона, вероятно, предполагает, что при наличии необходимого предварительного словаря студенты изучают термины, которые принадлежат определенному множеству примеров их употребления.

Может показаться, что эти единичные примеры создают необходимые условия для овладения этими терминами. На практике, однако, случаи такого рода очень редки. Как правило, существуют альтернативные наборы примеров, которые ведут к овладению одними и теми же терминами. И хотя обычно не имеет значения, с каким набором примеров был знаком индивид, существуют особые обстоятельства, в которых различия между этими наборами становятся очень важными.

В случае с «массой» и «весом» один из этих альтернативных наборов является стандартным. Он может возместить недостающие элементы как словаря, так и теории, и, возможно, таким образом, с него начинается процесс освоения словаря всеми студентами. Но логически могут существовать и другие примеры, и для большей части студентов они также играют роль.

Будем придерживаться стандартного пути, который сначала количественно описывает массу в виде того, что сегодня называют «инерциальной массой». Студентам представляют второй закон Ньютона – сила равна массе, умноженной на ускорение, – в качестве описания того, как в действительности ведут себя движущиеся тела, но в описании присутствует важнейшее употребление пока еще не вполне определенного термина «масса». Таким образом, этот термин и второй закон Ньютона выучиваются вместе, и закон может затем использоваться для установления недостающего измерения: масса тела пропорциональна его ускорению под воздействием известной силы. Для усвоения этого понятия аппарат центростремительной силы предоставляет определенно эффективный способ измерения.