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

Но последнее слово в этом споре не осталось ни за кем из академиков. Погрузившись в задачу с головой, члены Академии единогласно поручили мистеру Марею повторить свой фотографический эксперимент… но на этот раз он должен был привязать к кошке бечевку. Мистер Марей заверил всех, что не преминет это сделать.

Как вы можете убедиться, в Академии скучно не бывает. Но представьте себе, что некая Кошачья Академия собралась бы, чтобы подвесить на бечевке ученого или, скажем, политика, чтобы посмотреть, как он будет падать? Мы без колебаний заключили бы, что кошки — изобретательные, но свирепые животные.

Я, со своей стороны, знаю немало ученых мужей и политиков, которые приземлились бы на живот в ходе такого эксперимента, поскольку пузо у них долетело бы до земли быстрее, чем лапы. Взгляните, к примеру, на мистера… ну, неважно. Я, в общем-то, хотел указать на брюхо, а не на личность.

Но я далеко отклонился от первоначального вопроса, к тому же здесь не место для философствования. Намного проще разрешить стоящую перед нами задачу, и я попытаюсь сделать это к общему удовлетворению.

Превзойдя в этом мистера Марея, мистера Марселя Депре, мистера Лоуи и всю Академию наук, я прекрасно знаю, почему падающая кошка приземляется на лапы:

Потому что это не так больно!

Очевидно, что журналист немало потешился на том заседании, наблюдая, как столь уважаемая группа ученых споткнулась о знакомую всем и даже вошедшую в поговорку падающую кошку. Поразительно также, что члены Академии с таким доверием относились к существующему объяснению — но откуда подобное объяснение взялось? Намек на это можно найти в ретроспективной статье, опубликованной почти десятью годами позже, в которой представлена неверная теория о том, что кошка при падении от чего-то отталкивается, а затем обсуждается объяснение Марея.

Сияющий светоч научного мира объявил, что это противоречит здравому смыслу и законам механики. Никакое животное, утверждал он, падая свободно, ни при каких условиях не может перевернуться в воздухе при помощи собственных усилий, без внешней помощи. И такие привел убедительные доводы, что его коллеги по Французской Академии наук вынуждены были скрепя сердце принять его точку зрения.

Упомянутым здесь «сияющим светочем» был французский астроном и математик Шарль-Эжен Делоне (1816–1872), известный в первую очередь тем, что провел подробное исследование движения Луны и в 1870 г. стал директором Парижской обсерватории. Он написал книгу о физике движения — «Трактат о рациональной механике» (Traité de Méchanique Rationnelle), в которой в неявной форме рассуждал о том, что кошка не может перевернуться в воздухе, не имея точки опоры.

Если предположить, как мы уже сделали, что живое существо изолировано в пустом пространстве, что на него не действуют никакие внешние силы и что первоначально это существо неподвижно, то это живое существо не только не сможет сдвинуть свой центр тяжести — для него невозможно будет даже двигаться вокруг этого центра. И правда, как бы это существо ни играло мускулами, оно сможет породить только внутренние силы; в силу отсутствия каких бы то ни было внешних сил, в проекции на любую плоскость сумма площадей, заметаемых векторами, выходящими из центра тяжести, всегда сохраняет постоянную величину. Следовательно, эта сумма площадей должна всегда оставаться равной нулю, поскольку, в силу нашей гипотезы, живое существо, о котором идет речь, первоначально было неподвижно.

Делоне утверждает, что теорема площадей запрещает живому существу, изолированному в пространстве, «двигаться вокруг» своего центра тяжести, то есть вращаться. Он не упоминает кошек в явном виде, но падающая кошка была бы превосходной иллюстрацией к его рассуждениям. Как мы увидим в дальнейшем, эти рассуждения неверны. Но Делоне пользовался среди коллег таким уважением, что они, очевидно, не вглядывались в эту проблему слишком глубоко, пока фотографии Марея не оказались у них прямо под носом.

Делоне не был единственным из видных физиков, кто публично высказывался в поддержку этих рассуждений. Французская академия могла бы указать на нашего старого знакомца Джемса Клерка Максвелла, который тоже продвигал эту позицию.

Как мы уже знаем, Максвелл участвовал в не слишком строгих экспериментах с переворачиванием кошек еще в 1850-е гг., хотя никогда и не публиковал официально никаких гипотез или наблюдений на этот счет ни в каких научных журналах. Однако он, очевидно, часто обсуждал свои идеи с другом всей жизни и коллегой — тоже шотландским физиком Питером Гатри Тэйтом. Когда Максвелл неожиданно умер в 1879 г. в возрасте 48 лет, Тэйта попросили написать некролог на его смерть для престижного журнала Nature. Помимо упоминания о впечатляющих достижениях Максвелла в области электромагнетизма, термодинамики, астрономии, теории цвета и механики Тэйт счел нужным упомянуть и частные мысли Максвелла на тему переворачивания кошек:

В студенческие дни он провел один эксперимент, который, хотя и оказался в определенной степени физиологическим, был тесно связан с физикой. Его целью было определить, почему кошка всегда приземляется на лапы, как ее ни бросай. Аккуратно бросая кошку на расстеленный на полу матрас и придавая ей различное начальное вращение, он убедился, что кошка инстинктивно пользуется законом сохранения момента импульса: она вытягивает свое тело, если вращается слишком быстро и есть опасность упасть головой вниз, и собирается в клубок, если вращается слишком медленно.

Описание, данное Тэйтом, поясняет нам, как могло бы, в принципе, работать объяснение об обязательном отталкивании кошки от неподвижной опоры. Откуда кошка может знать, как сильно следует оттолкнуться, чтобы развернуться в точности на правильный угол? Ответ, согласно Максвеллу, состоит в том, что она этого не знает: кошка при помощи задних лап регулирует скорость вращения так, чтобы приземлиться на лапы. Это могло бы работать примерно так же, как фигурист регулирует скорость вращения на льду: подтягивает руки к телу, чтобы вращаться быстрее, и раскидывает их в стороны, чтобы замедлить вращение. Аналогично, рассуждал Максвелл, и кошка может регулировать скорость своего вращения, вытягивая или поджимая лапы и меняя тем самым момент инерции, чтобы управлять скоростью вращения.

Это объяснение тоже было неверным, как показали фотографии Марея. В защиту Максвелла заметим, что сам он никогда не публиковал эти свои идеи, из чего можно предположить, что он не считал их достаточно сильными, чтобы представлять широкой публике. Опубликованы они были только по инициативе Тэйта. Но совместной мощи ученых репутаций Максвелла и Делоне было достаточно, чтобы гипотеза «точки опоры» прочно угнездилась в умах членов Французской академии, что и привело в конечном итоге к спору на судьбоносном заседании в октябре 1894 г.

К счастью, после того как прошел первоначальный шок от лицезрения «научного парадокса» Марея, французские академики овладели собой. Взяв небольшой перерыв для размышлений о физике и математике, скромные члены Академии пришли на следующее собрание подготовленными.