Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Избирательное зрение в вопросе кошачьего переворачивания восходит чуть ли не ко временам Марея. В 1911 г. У. С. Франклин опубликовал в журнале Science письмо, в котором изложил объяснение движения падающей кошки, данное ему Дж. Ф. Хейфордом. В письме Франклин привел иллюстрацию, показывающую движение кошки, и вводное описание: «Существует два простых типа движения тела кошки, придающие ему вращательный момент вокруг оси AB, а именно: (a) вращение вокруг AB тела кошки как жесткой структуры; и (b) своего рода скручивающее движение, при котором каждая часть тела кошки вращается вокруг кривой CD». По существу, это грубое описание модели «сложись и крутись», в защиту которой 20 лет спустя предстояло выступить Радемакеру и тер Брааку. Но объяснение Хейфорда было, без особых раздумий, разгромлено в другом письме в редакцию, на этот раз написанном Дж. Р. Бентоном. Цитируя какую-то книгу, содержавшую фотографии и толкование Марея, Бентон утверждает: «Объяснение, предложенное профессором Хейфордом, хотя и возможное, не согласуется все же с реальным поведением кошки, которое фиксирует фотография». Вероятно, именно из-за этой критики объяснение Хейфорда не произвело никакого впечатления, и потребовалось еще два десятилетия, чтобы вариант «сложись и крутись» стал серьезным претендентом на роль «единственно верной стратегии».

Аргументы, основанные на фотографическом анализе, в ходу и сегодня. В статье на тему падения кошки, поданной мною в один физический журнал, я использовал вариант «сложись и крутись» как простую модель движения кошки. В одной из рецензий на статью (она была отрицательной) имелось следующее критическое замечание: «Когда я рассматриваю на YouTube ролики с падающими кошками, то не вижу у них подобных движений». Самые первые фотографии падающей кошки в 1894 г. не помогли решить задачу, но лишь усложнили существующую загадку. Сегодня происходит ровно то же самое.

Лишь один, кажется, из множества исследователей задачи о падающей кошке придает серьезное значение уровню ее сложности. Это лондонский физиолог Дональд Макдональд, работающий в Медицинском колледже при Госпитале Св. Варфоломея. Первую статью на эту тему он опубликовал в 1955 г. — примерно тогда же, когда этим вопросом занимались и ВВС США. Макдональд так объяснил свой интерес:

Из любопытства Макдональд решил сам исследовать эту проблему. Сначала он попытался снять падающую кошку на пленку при помощи кинокамеры, делавшей 64 кадра в секунду, но этой скорости оказалось недостаточно, чтобы ясно рассмотреть действия кошки. Поэтому Макдональд связался с коллегой Джоном Холландом, который специализировался на высокоскоростной киносъемке, и вместе они сняли падающую кошку с поразительной скоростью 1500 кадров в секунду. При таком темпе пленка бежала через камеру со скоростью около 100 км/ч. Должно быть, на съемку события, длившегося долю секунды, ушло поразительное количество пленки.

Что же они увидели? Макдональд с оттенком сухой иронии замечает, имея в виду объяснения Магнуса, Марея и Радемакера с тер Брааком: «Можно только удивляться тому, как три разных наблюдателя умудрились увидеть такие разные картины. Узнать ответ на этот вопрос значило бы многое понять в процессе научных исследований и в психологии исследователей».

В конечном итоге Макдональд не увидел на пленке никаких признаков магнусовского винтообразного вращения кошки — и это не удивительно, поскольку объяснение Магнуса нарушало закон сохранения момента импульса. Однако Макдональд указал, что Марей и Радемакер с тер Брааком были по крайней мере отчасти правы. Кошка действительно складывается и крутится, как утверждали последние двое, но помимо этого она также поворачивается в поясе и вытягивает — поджимает лапы, как отмечал Марей. Макдональд заметил также, что кошка склонна вращать хвостом, «часто в направлении, противоположном повороту», как предполагал еще Пеано. Однако Макдональд, кажется, недостаточно хорошо понимает физику момента импульса, чтобы судить о полезности хвоста; он предполагает, что кошка может использовать «пушистый хвост», чтобы отталкиваться от воздуха или управлять тангажем с его помощью, как будет происходить в робототехнике несколько десятилетий спустя.

Но Макдональд признал то, что остальные исследователи проблемы никогда не признавали: кошка не обязана выбирать один-единственный метод переворачивания, но может использовать все доступные ей способы, чтобы оптимизировать результат. Поэтому любой ученый, который подходит к проблеме переворачивания кошки, пытаясь отыскать «единственно верную стратегию», обязательно оказывается в тупике. Спор между стратегиями «подожмись и поворачивайся» и «сложись и крутись» продолжается так долго, потому что исследователь может найти в движении кошки признаки и первого, и второго механизма.

Подобного рода сложности возникают не только тогда, когда физики изучают живых существ. Немало обыденных, на первый взгляд, физических эффектов многие годы и даже десятилетия не получали простых объяснений потому, что возможных объяснений существует множество, а придумать эксперименты для их проверки трудно. Как и кошачья задача, эти эффекты могут вызываться более чем одним фактором.

Один из примеров тому — чандлеровское колебание полюсов Земли, о котором уже говорилось прежде. Физики быстро поняли, что колебания эти вызваны нежесткостью Земли, но и сегодня, более столетия спустя, ученые продолжают исследовать еще несколько значимых факторов, которые также вносят свой вклад в этот эффект.

Еще один пример стоит рассмотреть чуть подробнее. В 1969 г. танзанийский студент Эрасто Мпемба и профессор физики Д. Дж. Осборн из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе опубликовали в журнале Physics Education замечательную статью, озаглавленную просто «Круто?». В ней Мпемба и Осборн представили данные о том, что при определенных обстоятельствах крутой кипяток может замерзнуть быстрее, чем такое же количество воды комнатной температуры. Публикация статьи породила научную загадку и споры, которые продолжаются и полвека спустя.

Мпемба, делая свое открытие, не замахивался на подобные последствия. Просто в 1963 г. в старших классах школы он вместе с одноклассниками увлекался изготовлением мороженого; согласно рецепту, ингредиенты нужно было вскипятить, затем дать приготовленной смеси остыть до комнатной температуры и поставить все в морозилку. Однако места в морозилке вечно не хватало, и однажды Мпемба поставил туда свою плошку с кипятком одновременно с остывшей плошкой одноклассника. Он был поражен, обнаружив, что его мороженое замерзло первым; однако попытка обратиться к учителю за разъяснениями была встречена насмешкой. К счастью, в школу Мпембы приехал Осборн, который, услышав вопрос школьника, согласился сам проделать эксперимент.