Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Грегори Гбур, 2019

Как падающим кошкам всегда удается приземлиться на четыре лапы? Удивительно, сколько времени потребовалось ученым, чтобы ответить на этот вопрос! История изучения этой кошачьей способности почти ровесница самой физики – первая исследовательская работа на тему падающей кошки была опубликована в 1700 г. французом Антуаном Параном, но даже сегодня ученые продолжают находить в ней спорные моменты. В своей увлекательной и остроумной книге физик и заядлый кошатник Грегори Гбур показывает, как попытки понять механику падения кошек помогли разобраться в самых разных задачах в математике, физике, физиологии, неврологии и космической биологии, способствовали развитию фотографии и кинематографа и оказали влияние даже на робототехнику. Поиск ответа на загадку падающей кошки погружает читателей в увлекательный мир науки, из которого они узнают решение головоломки, но также обнаружат, что феномен кошачьего выверта по-прежнему вызывает горячие споры ученых. Автор убежден, что чем больше мы исследуем поведение этих животных, тем больше сюрпризов они нам преподносят.

1

Знаменитые физики и падающие кошки

В истории физики XIX в. нет, пожалуй, более уважаемого имени, чем Джеймс Клерк Максвелл. Этот физик, родившийся в Шотландии в 1831 г., к моменту своей довольно ранней смерти в 1879 г. успел внести заметный вклад во многие области науки и инженерного дела. Его величайшим достижением было теоретическое объединение электричества и магнетизма — двух типов взаимодействия, которые на протяжении тысяч лет считались независимыми силами природы, — в единое фундаментальное явление, получившее название электромагнетизм. В 1860-е гг. Максвелл собрал разнообразные наблюдения, сделанные другими физиками, вывел из них полную и непротиворечивую систему уравнений и показал, что, как следует из этих уравнений, электричество и магнетизм, объединившись, могут образовывать колеблющиеся электромагнитные волны, движущиеся в пространстве. Максвелл пошел еще дальше: он блестяще и очень убедительно доказал, что видимый свет, который долгое время считался отдельным явлением, никак не связанным с электричеством и магнетизмом, на самом деле представляет собой электромагнитную волну.

Считается, что открытие Максвелла знаменует собой начало современной эпохи в физике, когда все известные физические взаимодействия считаются проявлениями единого фундаментального взаимодействия; уравнения, составленные Максвеллом, в настоящее время называются уравнениями Максвелла в его честь.

А еще Максвелл был известен тем, что ронял кошек.

Такую необычную известность ему принесли ранние исследования, начатые в Университете Эдинбурга в 1847 г. в возрасте 16 лет. В 1850 г. Максвелл переехал в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и исследовал восприятие цвета человеком. Он отлично проявил себя и завершил обучение одним из лучших, а потом остался в университете еще на два года научным сотрудником. Именно во время работы в Тринити Максвелл посвятил некоторую часть своего свободного времени исследованию того, как именно падающая кошка умудряется всегда, кажется, приземляться на лапы.

В 1870 г. Максвелл вернулся в свою альма-матер — и обнаружил, что за время его отсутствия истории об экспериментах с кошками разрослись и умножились. В письме к своей жене Кэтрин Мэри Клерк Максвелл так объяснил эту ситуацию: «В Тринити ходит байка о том, что я, когда работал здесь, открыл способ так бросить кошку, чтобы она приземлилась не на лапы, и что я имел обыкновение бросать кошек из окон. Пришлось объяснить, что подлинной целью исследования было выяснить, как быстро кошка перевернется, а подлинным методом — уронить кошку на стол или на кровать с высоты примерно двух дюймов^[1] и что даже в этих условиях кошка умудряется приземлиться на лапы». Письмо к Кэтрин написано, кажется, извиняющимся тоном; Максвелл спешит заверить жену, что ни одна кошка не пострадала. Какими бы эксцентричными ни были эксперименты Максвелла, поразительно все же, что всего за 20 лет они успели превратиться в легенду.

Максвелл не единственный из знаменитых физиков той эпохи испытывал интерес к падающим кошкам. Примерно в то же время собственное неформальное исследование на эту тему провел ирландский физик и математик Джордж Габриэль Стокс (1819–1903). Стокс, как и его друг Максвелл, заработал авторитет уже в раннем возрасте и в 1849 г. получил престижную должность — стал Лукасовским профессором математики; в этой должности он и оставался до самой смерти. Среди других ученых, занимавших этот пост, можно назвать исследователя черных дыр Стивена Хокинга, специалиста по квантовой физике Поля Дирака, пионера компьютерных исследований Чарльза Бэббиджа и самого «отца современной физики» Исаака Ньютона. Стокс, безусловно, заслужил место в такой избранной компании, поскольку за время своей долгой научной карьеры внес заметный вклад в математику, гидродинамику и оптику. Любой математик или физик наверняка знаком с теоремой Стокса, которая нашла применение практически во всех областях физики. Кроме того, имя Стокса носят уравнения Навье — Стокса — важные математические формулы, используемые для описания движения жидкости (свойства которого до сих пор до конца не поняты). Именно Стокс, кстати, открыл, что флуоресценция — свечение объектов под ультрафиолетовым светом — связана с преобразованием невидимого света в видимый.

В дополнение к этой солидной ученой биографии Стокс посвятил некоторое время неформальному исследованию того, как кошки приземляются на лапы. Очевидно, он не оставил записей о своих экспериментах, но его дочь упоминает о них в воспоминаниях, написанных через несколько лет после смерти отца:

Его очень интересовало, как и профессора Клерка Максвелла примерно в то же время, переворачивание кошки — термин, придуманный для обозначения способа, которым кошка умудряется упасть на лапы, если взять ее за четыре лапы и уронить спиной вниз над самым полом. Глаза кошек тоже пригодились для проверки офтальмоскопа, как и глаза моей собаки по кличке Перл: но Перл не мог сравниться с псом профессора Клерка Максвелла, который, кажется, положительно наслаждался, когда хозяин рассматривал его глаза^[2].

Поразительно, что два видных физика столь увлеченно исследовали такое обыденное, на первый взгляд, явление, как падающая кошка. Что могли блестящие умы увидеть в задаче о падающей кошке такого, чего множество других людей не замечали? Они видели в ней тайну.

Кошки издавна известны как волшебные хранительницы тайн; на примере задачи о падающей кошке мы увидим, насколько точна такая оценка:

Cфинкс моего тихого очага, удостоивший своим присутствием!

Товарищ моих трудов, спутник моего отдыха,

Хранитель традиции Ра и Рамзеса;

Ты хорошо помнишь то, что человек забывает,

Размышляешь, сидя недвижно и уставив в пространство

Непроницаемый взгляд цвета морской волны^[3].

Примечания

1

Вероятно, Максвелл имел в виду футы, а не дюймы, поскольку, согласно исследованиям, два фута (61 см) — это именно та высота, которая позволяет кошке перевернуться; одно из таких исследований провела Фьорелла Гэмбейл, опубликовав результаты в полусатирическом журнале Annals of Improbable Research. Поскольку приведенное утверждение Максвелла взято из неформального рукописного письма к жене, автор, вероятно, либо не заметил описку, либо не счел нужным ее исправлять. Кстати говоря, жена его была квалифицированным ученым и помогала мужу в некоторых экспериментальных исследованиях.

2

Stokes, Memoir and Scientific Correspondence, p. 32.

3

Tomson G. R., excerpt from “To My Cat”, in Tomson, Concerning Cats.