Читать книгу "Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур"

Еще до Ньютона астроном Иоганн Кеплер продемонстрировал при помощи планетарных наблюдений так называемую теорему площадей, согласно которой любая планета движется с большей скоростью, если ее орбита проходит ближе к Солнцу, и с меньшей, если она располагается дальше. Вспомнив, что «момент импульса = (радиус) × (масса) × × (скорость)», мы можем заключить, что если момент импульса сохраняется, а радиус уменьшается, то скорость должна увеличиться. За полтора столетия после Ньютона физики постепенно поняли: из теоремы площадей прямо следует, что существует какой-то общий закон сохранения вращательного момента. К 1800 г. в ученой среде сложилось прочное ощущение, что «момент вращения» сохраняется; наконец, в 1858 г. Уильям Дж. М. Рэнкин в своем «Руководстве по прикладной механике» ввел для этой величины термин «угловой момент»[1].

Одно простое — но, как мы увидим, обманчивое — следствие из предыдущего обсуждения состоит в том, что момент импульса и вращение непосредственно связаны друг с другом. Рассматривая в качестве примера такой объект, как велосипедное колесо, мы можем сказать, что у него есть момент импульса, когда оно вращается, и нет момента импульса, когда оно не вращается. Из сохранения момента импульса, кажется, следует, что объект, который в начальный момент не вращается, не может ни с того ни с сего начать вращаться. В частности, кошка, которая начинает падение без всякого начального вращения, не может, согласно этим рассуждениям, перевернуться, поскольку это означало бы, что она нарушила закон сохранения момента импульса. Хотя кошачьи энтузиасты, такие как Уильям Гордон Стейблс, продолжали использовать объяснение переворачивания кошки, данное Антуаном Параном в 1700 г., физики конца XIX в. признавали, что Паран ошибался: кошка не должна спонтанно переворачиваться. Они делали вывод, что кошке необходимо в момент начала падения оттолкнуться от любого неподвижного объекта, который подвернется под лапу, — подоконника, с которого она падает, или руки, которая ее роняет, — и таким образом набрать некоторый момент импульса, который позволит ей перевернуться.

Фотографии Марея ясно показали, что эта общепринятая гипотеза неверна. Описание жаркой дискуссии по этому поводу появилось во французском журнале «Домашняя радость» (La Joie de la Maison) под заголовком «Средоточие научной мысли!». Приведу здесь эту заметку целиком:

Академия наук посвятила одно из своих недавних заседаний забавному вопросу о том, почему кошка, подобно многим политикам, всегда приземляется на лапы.

Этот вопрос, принадлежащий к числу тех природных явлений, которые приводят в уныние уже тем, что остаются необъясненными, привел Академию в сильное волнение.

К другим примерам таких явлений можно причислить трудный вопрос о том, почему у цыплят нет зубов; или почему, когда два человека — один высокий, другой маленького роста — встречаются на дороге в дождливый день, то именно тот, что поменьше, всегда пытается поднять свой зонт выше зонта рослого человека.

Именно в таком духе мистер Марей представил на внимательное рассмотрение ученым мужам 60 фотографических изображений кошки, которую уронили с высоты полутора метров. На фотографиях видно, как кошка падает с лапами, болтающимися в воздухе, а затем переворачивается, успевая выровняться и приземлиться на все четыре конечности.

«Вот так чудо!» — могли бы вы воскликнуть, зная, как давно уже известно всему миру, что, когда кошка падает, она всегда приземляется прямо на лапы.

Разумеется, всякий это знает; но обычный человек удовлетворяется простым знанием этого факта и не испытывает никакого желания разбираться глубже. Мистер Марей, а заодно с ним и Академия, потребовали большего. Их вопрос был сформулирован следующим образом:

«Почему падающая кошка всегда приземляется на лапы?»

Веселый сарказм автора заметки буквально бросается на читателя с журнальной страницы — и не напрасно: ведь простая задача о падающей кошке привела престижную Академию в состояние полной неразберихи.

Вот тут-то мои дражайшие ученые мужи пустились во все тяжкие. Мистер Марсель Депре указал, что падающее тело не может быть развернуто без приложения внешней силы. Среди других выступивших по этому вопросу были мистер Лоуи, директор Обсерватории, которому, возможно, полезнее было бы наблюдать падающие звезды, а не падающих кошек; мистер Морис Леви, Инспектор по Шахтам (обратите внимание: вовсе не Инспектор по Кошачьим); и мистер Бертран, Постоянный Секретарь Академии наук.

В этом пассаже присутствует отличный французский каламбур: «шахты» по-французски будет mines, а «кошачьи» — minets. Читателя предупреждают: не надо путать мистера Леви, «inspecteur des mines», с загадочным и несуществующим «inspecteur des minets».

Все выступившие разделили мнение мистера Марселя Депре: кошка, настаивали они, переворачивается потому, что опирается на руку, которая выпускает ее в пространство.

Именно в этот момент мистер Марей предложил присутствующим свои мгновенные фотографии, снятые во время падения. Эти изображения ясно показывают, что в начале падения кошка остается в первоначальном положении. Только придя в чувство и сообразив, что дела плохи, она начинает восстанавливать правильное положение.

На фотографиях падающей кошки сзади, сделанных Мареем и представленных здесь, это очень ясно видно. К примеру, на первых трех снимках в верхнем ряду справа, где кошку только что выпустили из рук, она еще практически не поворачивается. Ее переворот происходит стремительно, но начинается по-настоящему только тогда, когда кошка уже находится в свободном полете и не имеет рядом никаких объектов, от которых она могла бы оттолкнуться.

Физикам на том заседании пришлось нелегко; им трудно было примириться с тем, что они видели собственными глазами, и по крайней мере один из них тогда решил, что при переворачивании кошки, должно быть, происходит что-то весьма необычное.

Рассерженный, но далеко не побежденный, мистер Марсель Депре предположил, что кошка, чтобы сместить центр тяжести, возможно, меняет положение своих внутренностей. После такого предположения один из репортеров язвительно поинтересовался у мистера Марея: «Вы хотите сказать, что знаете, что происходит у кошки в животе?»

Этот неосторожный вопрос побудил в мистере Марее любопытство совершенно нездоровых масштабов. Будьте уверены, этот ученый муж займется решением этого вопроса с обычной для него непреклонностью и вскроет неизвестно сколько кошачьих животов, чтобы выяснить, что находится внутри.

Как мы уже видели, эти не слишком серьезные страхи оказались беспочвенными, поскольку Марей выступал против вивисекции как инструмента физиологических исследований: