Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Еще до Ньютона астроном Иоганн Кеплер продемонстрировал при помощи планетарных наблюдений так называемую теорему площадей, согласно которой любая планета движется с большей скоростью, если ее орбита проходит ближе к Солнцу, и с меньшей, если она располагается дальше. Вспомнив, что «момент импульса = (радиус) × (масса) × × (скорость)», мы можем заключить, что если момент импульса сохраняется, а радиус уменьшается, то скорость должна увеличиться. За полтора столетия после Ньютона физики постепенно поняли: из теоремы площадей прямо следует, что существует какой-то общий закон сохранения вращательного момента. К 1800 г. в ученой среде сложилось прочное ощущение, что «момент вращения» сохраняется; наконец, в 1858 г. Уильям Дж. М. Рэнкин в своем «Руководстве по прикладной механике» ввел для этой величины термин «угловой момент»[1].

Одно простое — но, как мы увидим, обманчивое — следствие из предыдущего обсуждения состоит в том, что момент импульса и вращение непосредственно связаны друг с другом. Рассматривая в качестве примера такой объект, как велосипедное колесо, мы можем сказать, что у него есть момент импульса, когда оно вращается, и нет момента импульса, когда оно не вращается. Из сохранения момента импульса, кажется, следует, что объект, который в начальный момент не вращается, не может ни с того ни с сего начать вращаться. В частности, кошка, которая начинает падение без всякого начального вращения, не может, согласно этим рассуждениям, перевернуться, поскольку это означало бы, что она нарушила закон сохранения момента импульса. Хотя кошачьи энтузиасты, такие как Уильям Гордон Стейблс, продолжали использовать объяснение переворачивания кошки, данное Антуаном Параном в 1700 г., физики конца XIX в. признавали, что Паран ошибался: кошка не должна спонтанно переворачиваться. Они делали вывод, что кошке необходимо в момент начала падения оттолкнуться от любого неподвижного объекта, который подвернется под лапу, — подоконника, с которого она падает, или руки, которая ее роняет, — и таким образом набрать некоторый момент импульса, который позволит ей перевернуться.

Фотографии Марея ясно показали, что эта общепринятая гипотеза неверна. Описание жаркой дискуссии по этому поводу появилось во французском журнале «Домашняя радость» (La Joie de la Maison) под заголовком «Средоточие научной мысли!». Приведу здесь эту заметку целиком:

Веселый сарказм автора заметки буквально бросается на читателя с журнальной страницы — и не напрасно: ведь простая задача о падающей кошке привела престижную Академию в состояние полной неразберихи.

В этом пассаже присутствует отличный французский каламбур: «шахты» по-французски будет mines, а «кошачьи» — minets. Читателя предупреждают: не надо путать мистера Леви, «inspecteur des mines», с загадочным и несуществующим «inspecteur des minets».

На фотографиях падающей кошки сзади, сделанных Мареем и представленных здесь, это очень ясно видно. К примеру, на первых трех снимках в верхнем ряду справа, где кошку только что выпустили из рук, она еще практически не поворачивается. Ее переворот происходит стремительно, но начинается по-настоящему только тогда, когда кошка уже находится в свободном полете и не имеет рядом никаких объектов, от которых она могла бы оттолкнуться.

Физикам на том заседании пришлось нелегко; им трудно было примириться с тем, что они видели собственными глазами, и по крайней мере один из них тогда решил, что при переворачивании кошки, должно быть, происходит что-то весьма необычное.

Как мы уже видели, эти не слишком серьезные страхи оказались беспочвенными, поскольку Марей выступал против вивисекции как инструмента физиологических исследований: