Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Многие считают, что критика существующей гипотезы — самая простая часть науки; предложить новую гипотезу намного сложнее. К счастью, Радемакеру и тер Брааку под силу было это сделать. Они предложили механизм кошачьего переворачивания, который сегодня известен как модель типа «сложись и крутись». Они первыми заметили, что все модели переворачивающейся кошки до сих пор строились исходя из предположения, что во время этого движения кошка держит спину прямой, хотя фотографические свидетельства ясно показывают, что все обстоит иначе. Представив для простоты, что тело кошки состоит из двух цилиндров, способных сгибаться и закручиваться в поясе, они отметили, что чем сильнее сгибается кошка, тем более противоположно направленными выглядят нижняя и верхняя части ее тела. Эта идея продемонстрирована здесь на одной из иллюстраций. Если обозначить серыми стрелками направления моментов импульса двух частей тела кошки, то можно увидеть, что у полностью согнутой кошки моменты импульса верхней и нижней секций тела компенсируют друг друга. Таким образом, получается, что кошка способна вращаться при нулевом суммарном моменте импульса.

Простейший способ понять, как это работает, — представить себе перевернутую вниз головой кошку с выпрямленным телом. Затем кошка сгибает тело в поясе, превращая его в два параллельных цилиндра; макушка головы ее при этом обращена наружу. Далее кошка прокручивает свое тело на 180°. Поскольку суммарный момент импульса ее равен нулю, в целом положение кошачьего тела в пространстве и его ориентация не меняются, но макушка головы животного теперь обращена внутрь. Когда кошка вновь выпрямляет спину, она оказывается правым боком кверху. Ни одна кошка не может проворачиваться в сложенном пополам положении, но, если ее тело сложено не так сильно, она может посильнее провернуть его и скомпенсировать таким образом любое возникающее контрвращение.

Эта модель физически отличается от модели типа «подожмись и поворачивайся». В модели подожмись, то есть подтяни лапы, кошка изменяет момент инерции верхней и нижней частей тела и тем самым добивается того, что поворот одной из частей может оказаться больше, чем контрповорот второй части. В модели «сложись и крутись» кошка противопоставляет повороты верхней и нижней частей тела друг другу и получает таким образом общее изменение ориентации.

В подтверждение своей гипотезы авторы представили математические результаты, а также неожиданно забавную «сосисочную» иллюстрацию, на которой показано, как разные группы мышц могли бы работать для достижения желаемого эффекта. Этот рисунок, который вы можете здесь видеть, предполагает, как ни странно, что кошка начинает падение с выгнутым животом, хотя фотографические свидетельства показывают, что начинает она, наоборот, с выгнутой спиной и втянутым животом.

В последние годы алгоритм «сложись и крутись» считается важнейшей частью вращения кошки в процессе ее переворачивания в воздухе в правильное положение. Оглядываясь назад на некоторые из старых фотосерий, таких как боковая съемка падающей кошки Марея в главе 4, мы легко замечаем на них именно это движение. В боковой серии Марея шестое изображение справа в верхнем ряду довольно четко показывает кошку в середине движения, как в части B «сосисочной» иллюстрации Радемакера и тер Браака. Фотографии бесхвостой кошки Фредриксона, сделанные в 1989 г. (см. главу 6), демонстрируют эту позицию в верхнем ряду на кадрах 3 и 4, считая слева. Это же движение можно видеть на некоторых собственных фотографиях Радемакера и тер Браака, к примеру на кадрах 2 и 3 размещенной здесь иллюстрации № 7 из их статьи.

Статья Радемакера и тер Браака не стала последним словом в решении вопроса о том, как кошка двигается, чтобы перевернуться в свободном падении и принять правильное положение, но в ней был представлен преобладающий, почти наверняка, механизм, посредством которого кошка добивается такого необычайного результата.

Однако упрямый вопрос не хотел сдаваться: откуда кошка узнает, где находится верх, когда начинает падать? Общая теория относительности указывает, что кошка в свободном падении не испытывает на себе действия какой-либо силы, которую ее вестибулярный аппарат мог бы использовать для ориентации; зрение тут также ни при чем, поскольку кошка с завязанными глазами тоже переворачивается без проблем.

Британский физиолог Джайлс Бриндли (род. 1926 г.) предположил, что единственная оставшаяся возможность — то, что животное сохраняет рефлекторную память о том, какое направление соответствует направлению вниз, и использует эту память, чтобы инстинктивно выправить положение тела для приземления. В 1960-е гг. он, чтобы проверить верность своей гипотезы, провел серию забавных тестов на кроликах, которые также демонстрируют рефлекс падения на лапы.

Вообще, можно смело сказать, что «забавное» было научной специализацией Бриндли. Тогда же, в 1960-е гг., он, в дополнение к своим физиологическим исследованиям, изобрел собственный электронный инструмент, «логический фагот».

В экспериментах с кроликами, описанных в материалах нескольких научных конференций, Бриндли стремился подвергнуть кролика ускорению, которое должно было изменить, в восприятии кролика, направление силы тяжести. Бриндли хотел подвергнуть кролика действию ложной по направлению силы тяжести, а затем уронить его и посмотреть, куда кролик будет падать — вниз на землю или в соответствии с направлением ложной силы тяжести.

Материалы конференций не приводят ни особых подробностей, ни фотографий аппаратов, которые Бриндли использовал в своих экспериментах, так что нам придется лишь догадываться об их конкретных формах.

В первом эксперименте использовался ящик, катающийся по паре рельсов, наклоненных под углом 13°6′ к горизонту. В ящик сажали кролика и катапультировали его вверх по склону. Ящик поднимался, а затем съезжал обратно; в нижней точке срабатывала автоматическая заслонка, и кролик выпадал из ящика; его рефлекторное переворачивание в падении фиксировали при помощи фотокамеры.

Ускорение, придаваемое ящику катапультой, длилось 0,3 с; целиком подъем и спуск по рельсам занимали 8,0 с. Все это время ящик был наклонен, а кролик ощущал силу тяжести, направленную под углом 13° к истинной. Нам придется предположить, что платформа, где кролик начинал и заканчивал свой путь, была горизонтальной. Таким образом, если кролик некоторое существенное время находился как бы в отклоненном гравитационном поле, а затем это поле непосредственно перед «сбрасыванием» внезапно изменялось, то что происходило с кроликом? Процитируем Бриндли: