Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

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:

Рефлексы возвращения в нормальное положение занимают освященное временем место в программе лекций по физиологии, и кошку всегда, не менее традиционно, роняют в перевернутом положении, чтобы проиллюстрировать этот пункт. Ибо, хотя способ, которым кошка это делает, давно является физиологической загадкой, Магнус описал его в терминах рефлексов головы и тела, открытых им первоначально, и теперь это повторяется во всех учебниках. Вероятно, я тугодум, но, признаюсь, никогда не мог понять, что именно я должен здесь увидеть {4} .

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 {5} . 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.

Результаты удивили Осборна. «В Университетском колледже Дар-эс-Салама я попросил молодого лаборанта проверить полученную информацию. Лаборант доложил, что вода, которая вначале была горячей, действительно замерзла первой, и добавил в приступе какого-то ненаучного энтузиазма: „Но мы будем повторять эксперимент до тех пор, пока не получим верный результат“» {6} .

Мпемба был не первым, кто предположил, что иногда горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная. Свидетельства об этом уходят в прошлое на две с лишним тысячи лет. Аристотель в Греции около 350 г. до н. э. писал: