Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Обычные шагающие и бегающие роботы, однако, к настоящему моменту сделали резкий рывок в своем развитии. Начиная с 2013 г. компания Boston Dynamics разрабатывает гуманоидного робота по имени Атлас, обладающего поразительной степенью координации. Атлас — крупный образец, его рост составляет примерно 180 см, а весит он около 150 кг. В 2017 г. компания выпустила видеосюжет, в котором Атлас запрыгивает на ящики и даже делает сальто назад. Еще через год она выпустила видеосюжет, в котором Атлас бегает по траве и пересеченной местности. Как написал в сети один комментатор, «теперь робот Атлас компании Boston Dynamics сможет гоняться за вами по лесу». Если оставить в стороне апокалиптические прогнозы, то Атлас показывает, какой путь развития прошли роботы с того времени, когда «Данте II» безуспешно пытался выбраться из вулканического кратера на шести ногах. Тем не менее роботов не стали меньше бояться с тех пор, когда 100 лет назад на свет появился Геркулес, паровой родич Атласа.

Не каждый создаваемый в лабораториях робот представляет собой потенциальную угрозу человечеству. Инженеры копании по выпуску игрушек Hasbro сотрудничают с исследователями Университета Брауна, пытаясь усовершенствовать свои первоначальные разработки по созданию роботизированной кошки-компаньона по имени Доступный роботизированный интеллект для поддержки пожилых людей (Affordable Robotic Intelligence for Elderly Support, ARIES). Этот робот, внешне похожий на кошку, умеющий мурлыкать и мяукать, подобно кошке, спроектирован как недорогой спутник и помощник для пожилых людей. ARIES обладает ограниченными двигательными функциями, имитирующими движения живой кошки: к примеру, он перекатывается на спину, чтобы ему почесали брюшко; кроме того, его можно запрограммировать так, чтобы он напоминал хозяину о необходимости визита к врачу и времени приема лекарств. Современные роботы, помимо всего прочего, могут обладать шерстью и иметь забавный характер — природные качества кошек.

При рассмотрении недавних исследований на тему падающих роботизированных кошек поражает тот факт, что по вопросу о том, как все-таки кошка переворачивается в свободном падении, до сих пор сохраняются значительные разногласия. Некоторые исследователи воплощают в своих роботах алгоритм «подожмись и поворачивайся»; другие склоняются к модели «сложись и крутись». Различия во мнениях специалистов-робототехников отражают различия во взглядах физиков. Исследователь-робототехник Такаси Кавамура так описал происходящее: «Интересно, что объяснения в учебниках по физике и динамике, где говорится о переворачивании кошачьих в нормальное положение, остаются противоречивыми и неоднозначными».

Удивительно, вне всяких сомнений, но такой обыденный, казалось бы, вопрос даже ученых, вооруженных самыми современными теориями и методами, интригует и ставит в тупик вот уже больше столетия, со времени первых фотографий падающей кошки Марея и до сего дня. Как могут ученые в мире, где человек обуздал энергию атома, построил глобальный интернет и отправил людей на Луну, испытывать трудности с пониманием и воспроизведением движений кошки?

Ответ на этот вопрос заключается отчасти в том, что стратегия, которой традиционно пользуются физики при анализе задач, не слишком хорошо согласуется с тем, как природа в виде эволюционных процессов в живых существах эти задачи реально решает. Хороший пример того, как учат думать физиков, можно найти в труде Исаака Ньютона. Ньютон взял беспорядочный набор наблюдений за движением планет, комет и наземных объектов и объединил их в единую теорию гравитации, при помощи которой можно объяснить все эти явления (задействовав при этом его законы движения и кучу математики). С тех пор идея о том, чтобы взять сложные наблюдения, связанные с природой, и максимально упростить их, приведя к простейшему виду, является руководящим принципом физики. Мы уже отмечали, что в 1860-е гг. Джеймс Клерк Максвелл, одним из первых начавший ронять кошек, показал, что такие разные, на первый взгляд, явления, как электричество, магнетизм и свет, можно объяснить как единую фундаментальную силу — электромагнетизм. Столетием позже, в 1970-е гг., исследователи показали также, что слабое ядерное взаимодействие, управляющее распадом нестабильных элементарных частиц, можно связать с электромагнетизмом, а все вместе объяснить как единое фундаментальное природное явление — электрослабое взаимодействие. Теперь специалисты по физике элементарных частиц заняты поиском — как теоретическим, так и экспериментальным — великой теории всего, которая объединила бы электрослабое взаимодействие с гравитацией и сильным ядерным взаимодействием и показала, что все виды взаимодействия суть различные аспекты еще одной единой фундаментальной силы.

Итак, физики прошли уже долгий путь, на котором учились сложные физические наблюдения сводить в единое целое. Процесс исследования не всегда идет именно так: поскольку задачи, которые решают физики, становятся все сложнее, их стратегии также эволюционируют, но инстинкт поиска единой «причины» у физиков в крови.

Природа же заинтересована не в простоте, а в эффективности. В природе простейшее решение задачи не несет с собой никаких преимуществ — преимущества дает только наилучшее решение, а оно может включать в себя несколько вариантов поведения или несколько движений, соединенных между собой. Можно убедиться в этом по числу различных стратегий кошачьего переворачивания, открытых на данный момент, которых — исключая неверную гипотезу Антуана Парана — насчитывается четыре.

1. «Падающая фигуристка» Джеймса Клерка Максвелла (ок. 1850 г.): кошка, которая в момент падения уже вращается, может изменять скорость своего вращения, подтягивая или вытягивая во всю длину лапы, из-за чего меняется ее общий момент инерции.

2. «Подожмись и поворачивайся» Этьен-Жюля Марея (1894 г.): выборочно поджимая под себя одну или другую пару лап, кошка может изменять момент инерции соответствующей секции тела, что позволяет ей провернуть сначала одну половину, затем другую без значительного противовращения.

3. «Сложись и крутись» Радемакера и тер Браака (1935 г.): сложившись в поясе, кошка может вращать две секции своего тела в противоположных направлениях, благодаря чему их моменты импульса взаимно компенсируются.

4. «Хвост-пропеллер» Джузеппе Пеано (1895 г.): вращая хвостом, как пропеллером, в одном направлении, кошка может закрутить свое тело в противоположном направлении.

Которая из этих стратегий является «единственно верной» для переворачивания кошки? Многие физики, подобно пресловутым слепцам, ощупывающим слона, выделяют какой-то один аспект сложного движения кошки, игнорируя при этом все остальные, и объявляют именно его «истинным». Серии фотографий часто служат для физиков своеобразным «тестом Роршаха», на котором каждый наблюдатель видит что-то свое, отличное от других.