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.

3

Лошади в движении

Картины часто должны, по замыслу авторов, отражать какой-то момент в истории, сохранять его для потомков в том виде, в каком его увидел и воспринял сам автор. Иногда результат — завершенное произведение — содержит в себе более богатую историю, чем автор планировал или хотя бы мог представить себе.

Среди бесчисленного количества художественных произведений в Лувре есть картина Теодора Жерико 1821 г. под названием «Дерби в Эпсоме». Сегодня Жерико известен как один из пионеров романтизма — направления в изобразительном искусстве, где авторы стремились подчеркнуть эмоции, идеализировали прошлое и приукрашали природные ландшафты. Его самая знаменитая работа в этом ключе — «Плот “Медузы”» — написана в 1818–1819 гг.; на ней изображены уцелевшие моряки с военного французского фрегата «Медуза», отчаявшиеся и умирающие, дрейфующие на плоту в беспощадном бушующем море. Эта картина — стилизованное изображение катастрофы, произошедшей в 1816 г., — вызвала при первом показе немалые споры. Полотно «Дерби в Эпсоме», написанное всего на несколько лет позже, по тону почти противоположно первому: на нем изображены четыре лошади в разгар гонки и жокеи, понукающие своих скакунов и понуждающие их нестись к победе.

На взгляд современного зрителя, картина выглядит несколько странно, хотя требуется некоторое время, чтобы понять, в чем именно заключается странность. Все четыре лошади изображены в совершенно идентичной позе; это подразумевает, что они галопируют в точности в унисон, причем ноги их вытянуты настолько сильно, что сами лошади, кажется, парят в воздухе. Задние копыта смотрят подошвами вверх, тогда как передние копыта вытянуты далеко вперед. Сегодня большинство из нас понимает, по крайней мере интуитивно, что лошади так не бегают.

Жерико был не единственным художником, рисовавшим лошадей таким образом. Для живописцев XIX в. это была стандартная манера. Похожие изображения того, что сегодня называют летящим галопом, можно увидеть в художественных произведениях тысячелетней давности. Его серьезнейший исторический конкурент — поза вставшей на дыбы лошади, когда передние копыта подняты в воздух, а задние стоят на земле.

Художники рисовали животных подобным образом не от недостатка таланта. Дело скорее в том, что все живописцы были ограничены в своих возможностях тем, что можно увидеть невооруженным глазом. Цикл движения ног лошади на галопе по времени занимает долю секунды — слишком мало, чтобы человеческий глаз мог разглядеть подробности. Точно так же переворачивание кошки происходило слишком быстро, чтобы Максвелл и Стокс могли различить в нем отдельные элементы. Не имея точных знаний о движении лошади, художники, возможно, использовали в качестве визуальной аналогии движения других животных. В книге «Проблема галопирующей лошади» (The Problem of the Galloping Horse), вышедшей в начале XX в., сэр Рей Ланкестер утверждал, что древние люди, возможно, сконструировали летящий галоп на основе наблюдений за бегущими собаками^[20]. Собаки бегают намного медленнее, чем лошади; кроме того, благодаря размеру собак намного проще разглядеть целиком в едином поле зрения. Манера бега собаки включает в себя позу, которую можно, в принципе, рассматривать как собачий эквивалент летящего галопа.

На протяжении большей части истории изучение движения животных было в значительной степени ограничено скоростью человеческого глаза. Ситуация начала меняться в середине XIX в., когда химия и оптика, объединившись, породили науку, технологию и искусство фотографии. Новому процессу суждено было сделать доступными для человека ответы на многие вопросы — и одновременно породить множество новых вопросов, показав, в частности, что галоп лошади и маневры падающей кошки устроены более хитроумно, чем кто-то в те времена мог вообразить.

Ключевые элементы, необходимые для развития фотографии, были известны задолго до XIX в. Одним из таких элементов была так называемая камера-обскура — ящик или помещение, полностью закрытое для внешнего света, за исключением одного небольшого отверстия. Свет, проходящий через него, порождает на стенке камеры высококачественное, хотя и перевернутое, изображение вида снаружи. Этот необычный способ формирования изображения на протяжении по крайней мере двух последних тысячелетий открывался и признавался не единожды. Самое раннее известное его описание можно найти у китайского философа и ученого Мо-цзы, и относится оно примерно к 400 г. до н. э.

Канон: Переворачивание тени происходит потому, что перекрестье сходится в точку, из которой продолжается уже тенью.

Объяснение: Вход света в кривую подобен полету стрелы, выпущенной из лука. То, что идет снизу, направляется наверх, а то, что идет сверху, направляется вниз. Ноги перекрывают свет снизу и потому образуют тень наверху; голова перекрывает свет сверху и потому образует тень внизу. Это происходит потому, что на определенном расстоянии имеется точка, которая совпадает со светом; поэтому переворот тени происходит внутри^[21].

Иными словами, свет, идущий от высокой точки снаружи ящика, проходит сквозь прокол и появляется в виде точки внизу изображения и наоборот. Среди тех, кто признавал и изучал изобразительные свойства камеры-обскуры, были греческий философ Аристотель (384–322 гг. до н. э.), мусульманский ученый Ибн-аль-Хайсам (965–1039) и итальянский энциклопедист Леонардо да Винчи (1452–1519).

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

20

Lankester, “The Problem of the Galloping Horse”.

21

Renner, Pinhole Photography, p. 4.