Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

После долгой бюрократической возни в конце 1882 г. Марей организовал постоянную Физиологическую станцию на западной окраине Парижа. Теперь у него были помощники, земля и средства на исследование практически любого вопроса, который заинтересовал бы его. Так, одним из недостатков новейшей хронофотографической камеры Марея было то, что медленно движущиеся объекты давали на снимке перекрывающиеся изображения. К примеру, человек за один шаг проходит очень маленькое расстояние: попытка проанализировать его походку при помощи хронофотографии давала в результате неразличимую смесь изображений. Марей и здесь проявил изобретательность. Он решил, что ему совершенно не обязательно — да и не нужно — видеть на каждом изображении весь объект, то есть человека целиком. Ученый одел испытуемого в темную одежду и прорисовал простые белые линии вдоль рук и ног — и теперь движение можно было увидеть без труда. Стратегия Марея чем-то напоминала ту, что используется сегодня в цифровых системах захвата движения, где в ключевых местах тел актеров размещаются специальные опорные точки; эти точки можно использовать при последующей обработке записи для определения пространственного положения и ориентации тела действующих лиц.

В 1884 г. вечно занятый Марей взял короткий отпуск от фотографии, чтобы исследовать вспышку холеры, бушевавшую тогда во Франции. Вместе с микробиологом Луи Пастером он возглавил специальный комитет, целью которого было выяснить происхождение эпидемии и остановить ее. Воспользовавшись статистическими данными и точными картами, Марей и Пастер убедили остальных членов комитета в том, что болезнь распространяется с зараженной водой.

Вернувшись на Физиологическую станцию, которую на время своего отсутствия он оставил на попечение Демени, Марей возобновил исследование животных. Придуманное им «схематическое» решение по съемке медленно движущихся объектов было по-прежнему недостаточным во многих ситуациях, представлявших для него интерес. Фотографирование движущегося животного спереди или сзади тоже могло дать ученым важную информацию, но животное в поле зрения камеры при этом будет оставаться практически на месте, а на снимке в результате получится лишь размытое пятно. Более того, интерес для Марея представляли и некоторые стационарные виды деятельности: боксер, наносящий удар; музыкант, играющий на скрипке; солдат, поднимающий груз. Во всех этих случаях субъект не должен никуда идти или бежать, так что существующая система была бы неэффективна. Поскольку объект съемки двигаться не будет, очевидным решением стало бы двигать пленку внутри камеры. Однако Марей обнаружил, что стеклянные фотопластинки, которыми тогда по-прежнему пользовались, невозможно легко и надежно двигать во время серийной съемки и что изображения, которые при этом получаются, далеки от его высоких стандартов качества.

На этот раз решение пришло из внешнего источника. В конце 1888 г. во Францию поступили фотографические пленки на бумажной основе из США, изобретенные Джорджем Истманом в Рочестере, штат Нью-Йорк. Теперь Марей мог переделать свою камеру так, чтобы рулон пленки проматывался перед объективом, давая временну́ю последовательность изображений на полоске пленки. Его конструкция очень напоминала конструкцию кинокамеры. После такой доработки не осталось практически ничего, что невозможно было бы запечатлеть в движении. К 1892 г. Марей уже снимал действия любых животных, каких ему удавалось достать, от коз и собак до насекомых, уток и лошадей.

Идея снять падающую кошку, судя по всему, пришла ему в голову довольно поздно, после многих других исследований. Объект не имел ни военного значения, как изучение движения солдат, ни экономического, как изучение движения лошадей (благодаря тому что двигатель внутреннего сгорания Ньепса по-прежнему игнорировали, эпоха широкого использования автомобилей была еще впереди). И все же кошка садовника на Физиологической станции была мобилизована в интересах науки и сброшена перед объективом камеры в 1894 г. 22 октября 1894 г. Марей представил полученную последовательность снимков во Французской академии наук {8} .

Если сам Марей считал фотографии падающей кошки простой демонстрацией своих новых фотографических возможностей, то реакция на них оказалась совершенно неадекватной. Его фотографии опубликовал буквально весь мир, а физики Французской академии, которые тоже заседали во время пресловутой презентации, согласно последующим сообщениям, пришли в ярость:

Почему кошка всегда падает на лапы? Этот вопрос недавно привлек к себе серьезное внимание Французской академии наук. Проблема, очевидно, оказалась весьма сложной, ибо это ученое собрание гениев до сих пор не сумело дать для нее исчерпывающего решения.

…

Когда месье Марей представил Академии результаты своих исследований, разгорелась оживленная дискуссия. Трудность состояла в том, чтобы объяснить, как кошка может перевернуть себя на пол-оборота без точки опоры [точки приложения рычага], которая могла бы помочь ей в этом. Один из членов заявил, что месье Марей представил им научный парадокс, который прямо противоречит самым элементарным механическим принципам {9} .

Где-то в промежутке между работой Парана в 1700 г. и фотографиями Марея в 1894 г. физика падающей кошки перешла из состояния решенной задачи, которую можно включать в учебники по элементарной физике, в состояние «научного парадокса». Но за эти две сотни лет сама физика тоже сильно изменилась и теперь определялась тем, что невозможно, в не меньшей степени, чем тем, что возможно .

Ключ к этим переменам — открытие и широкое признание законов сохранения , указывающих на то, что некоторые физические величины в изолированной системе изменяться не могут. Самый знаменитый из этих законов — закон сохранения энергии , который гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. К формам энергии относятся энергия движущихся объектов (кинетическая энергия), энергия, запасенная в гравитационном поле (гравитационная потенциальная энергия), тепловая энергия (энергия большого количества частиц, движущихся случайным образом, как в составе газа), химическая энергия (энергия, скрытая в химических связях в молекулах и атомах) и электромагнитная энергия (энергия, содержащаяся в свете, ультрафиолетовом и инфракрасном излучении, радио- и рентгеновских волнах). В специальной теории относительности Эйнштейна признается также, что масса сама по себе тоже является одной из форм энергии.