Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Это было глубокое прозрение, проникновение в природу ускорения и гравитации, но превращение его в строгую математическую и физическую теорию потребовало от Эйнштейна почти десятилетия кропотливой работы наряду со значительной помощью со стороны математиков. Наконец в ноябре 1915 г. он представил математическую основу того, что позже получило название общей теории относительности, на заседании Прусской академии наук. Среди совершенно новых, даже умопомрачительных, следствий новой теории была идея о том, что масса искривляет как пространство, так и время. Массивное тело, такое как Земля или черная дыра, лежит на дне «ямы» в пространстве-времени. Вблизи к гравитационному телу время течет медленнее, и часы рядом с поверхностью земли будут идти чуть медленнее, чем часы в самолете.

В контексте этой новой теории любой объект, движущийся по кратчайшему пути сквозь пространство-время (не важно, является ли этот путь прямо- или криволинейным), не испытывает на себе действия каких-либо сил, он невесом, а его движение может рассматриваться как инерциальное. Вес, который мы испытываем на поверхности земли, можно интерпретировать как следствие того факта, что нам не дают двигаться по этому кратчайшему пути, которым было бы свободное падение по направлению к центру Земли. Поэтому счастливейшая мысль Эйнштейна легко интерпретируется в контексте Вселенной искривленного пространства и времени.

Это опять приводит нас в конечном итоге к вопросу о падающих кошках. Когда кошку роняют, она находится в состоянии свободного падения и рефлексивно переворачивается в правильное положение. Однако, согласно рассуждениям Эйнштейна, кошка в свободном падении будет совершенно невесома и не будет испытывать на себе действие какой-либо силы ни в одном из направлений — так откуда же она знает, в какую сторону и на сколько переворачиваться, чтобы приземлиться в правильном положении? Этот вопрос приобрел для физиологов важное значение в начале XX в., и именно он со временем заставил их обратиться к глубокой теории Эйнштейна.

Физиологические труды Этьен-Жюля Марея касались в первую очередь движений, которые делает животное для достижения какой-либо конкретной цели. Он занимался, к примеру, такими вопросами: как двигается кошка, когда ей надо перевернуться? Как птица машет крыльями, чтобы лететь? Однако не менее важным и интересным для исследователей был вопрос о том, как мозг животного управляет мышцами тела, чтобы получить эти эффекты, и как он координирует их работу.

Нейробиология — наука о том, как функционируют мозг и нервная система, — получила резкое ускорение в XIX в. параллельно с развитием физиологических исследований Марея и других ученых в сотрудничестве с ними. К несчастью для существ, подвергавшихся исследованию, для значительной части нейробиологических исследований антививисекционистская позиция Марея оказалась неприемлемой. В то время единственным способом определить функцию различных частей нервной системы было выборочное повреждение этих частей и проверка эффекта подобных действий на животных. Этот подход, как ни печально, продолжился и в нейробиологических исследованиях поведения переворачивающейся кошки.

Кошка способна выправить положение своего тела в свободном падении за долю секунды; скорость реакции ясно показывает, что это действие представляет собой, по крайней мере отчасти, рефлексивную реакцию. Под «рефлексом» обычно понимают невольную реакцию живых существ на внешние раздражители; общеизвестный пример — коленный рефлекс, который врач проверяет, постукивая резиновым молоточком чуть ниже коленной чашечки пациента, в результате чего нога самопроизвольно дергается. Проследив деятельность длинного ряда исследователей, занимавшихся изучением рефлексов, можно увидеть, как их работа неуклонно вела к падающей кошке.

Можно считать, что исследование рефлексов началось с Рене Декарта (1596–1650), который, как мы уже видели, будто бы выбрасывал кошек из окон. Если он и правда проводил когда-либо такой опыт, то целью его, вероятно, было доказать, что животные — бездушные машины, которые напрямую переводят внешние раздражители в моторные действия, то есть он пытался продемонстрировать, что поведение животных представляет собой просто набор автоматических реакций. В своих исследованиях Декарт защищал идею дуализма сознания и тела: он считал, что сознание представляет собой сущность, отдельную от материального тела и не подчиняющуюся физическим законам, которые управляют телом. С точки зрения Декарта, человеческое сознание (или душа) контролирует тело посредством шишковидной железы в мозге. Современная наука отказалась от идеи дуализма и считает, что мыслительный процесс и людей, и животных протекает исключительно в мозге.

Происхождение же самого термина «рефлекс» можно проследить до Томаса Уиллиса (1621–1675), оксфордского профессора и члена-основателя того, что позже стало Королевским обществом Лондона. В 1664 г. Уиллис опубликовал важную работу о функции мозга, озаглавленную «Анатомия мозга» (Cerebri anatome). В ней ученый рассуждает о том, что сенсорные сигналы, такие как вид и звук, направляются к церебральной коре мозга, в результате чего возникают сознательное восприятие и память. Однако он считал, что некоторые из этих входных сигналов «отражаются» (рефлексируются) обратно к мышцам через мозжечок, что порождает автоматические движения, или «отражения», «рефлексы».

Уиллис, будучи английским врачом, провел бесчисленное множество вскрытий, что позволило ему прояснить в значительной степени анатомию мозга. Он выяснил, что в структуре мозга можно выделить три основных компонента: cerebrum, cerebellum и brainstem. Внешняя часть большого мозга (cerebrum) называется cerebral cortex (кора головного мозга), или просто корой, и содержит в себе нервные клетки, или нейроны, вовлеченные в высшую нервную деятельность: это «серое вещество» мозга. Пирамидные, или корково-спинномозговые, пути представляют собой нервные волокна, по которым сигналы от коры мозга передаются к его стволовой части и спинному мозгу, тогда как таламус передает информацию от органов чувств к коре мозга. Мозжечок, который лежит ниже и сзади по отношению к большому мозгу, участвует в координации мышечных движений и специфичных вариантов поведения, таких как поза и равновесие. Стволовая часть мозга, которую можно, в свою очередь, разделить на средний мозг, Варолиев мост и продолговатый мозг, отвечает за автоматические функции тела, такие как дыхание и сердечная деятельность.

Поначалу прогресс в исследовании рефлексов шел медленно. На протяжении более чем столетия исследователи вслед за Уиллисом считали именно головной мозг центром рефлекторных действий, а спинной мозг всего лишь средством передачи информации (по существу, набором проводов) от органов чувств к мозгу. Ошибочность этой точки зрения доказал шотландский физик Роберт Уитт (1714–1766), который показал в 1765 г., что безголовая лягушка может тем не менее рефлекторно реагировать на внешние раздражители. Наблюдения Уитта указывали на то, что многие рефлекторные реакции можно связать с конкретными сегментами спинного мозга: разные рефлексы контролируются из разных частей этого мозга. В качестве непосредственного результата работ Уитта ученые сделали вывод о том, что сознательные действия управляются головным мозгом, а рефлекторные действия — спинным.