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

Примерно в это же время Сет Карло Чандлер-мл. (1846–1913), эксперт по страхованию жизни и астроном-любитель, по счастливой случайности обнаружил то самое явление, которое успешно ускользало от внимания стольких профессионалов. Чандлер родился в Бостоне, штат Массачусетс, и впервые столкнулся с наукой во время обучения в последнем классе школы, когда получил работу у гарвардского математика Бенджамина Пирса. Пирс, сотрудничавший с коллегами в Обсерватории Гарвардского колледжа, поручал Чандлеру проводить математические вычисления. После окончания школы Чандлер благодаря своим навыкам и умениям получил работу в Службе береговой и геодезической съемки США, где он проводил астрономические измерения долготы и широты. После того как его непосредственный руководитель оставил геодезическую службу, Чандлер ушел в страховой бизнес, но подлинной его любовью всегда оставалась астрономия; благодаря связям в Гарварде он мог проводить измерения в Гарвардской обсерватории.

Чтобы измерить широту, Чандлер использовал визуальный зенитный телескоп, то есть телескоп, спроектированный так, чтобы всегда смотреть строго вверх, в небо; широту можно было определить, измерив относительные положения звезд. Еще во время работы в береговой геодезической службе Чандлер замечал, что правильное горизонтальное выравнивание телескопа требует больших усилий и почти вдвое увеличивает время, необходимое для измерений. Поэтому в качестве своего первого проекта в роли астронома-любителя он создал новое устройство, способное выравниваться самостоятельно, и назвал его альмукантаром. С середины 1884-го по середину 1885 г. Чандлер испытывал точность альмукантара в Обсерватории Гарварда; его измерения неожиданно показали, что существует непрерывное систематическое изменение широты Обсерватории на протяжении года. Это и были первые измерения свободной нутации. Сам Чандлер не стал рассуждать об их происхождении; он отметил только, что не смог найти источник ошибки, которой можно было бы объяснить эти наблюдения.

Вопрос этот вполне мог бы оставаться нерешенным еще много лет, если бы не замечательное совпадение: почти в тот же период, когда Чандлер делал свою работу, немецкий ученый Фридрих Кюстнер из Берлинской обсерватории также наблюдал отклонения широты. Кюстнер, как и Чандлер, пытался изучать нечто совершенно другое: в случае Кюстнера это были вариации скорости света, приходящего к Земле от далеких звезд. Позже было показано, что любые подобные усилия обречены, поскольку из специальной теории относительности Эйнштейна следует, что скорость света одинакова везде и всегда, для любого, кто не поленится ее измерить. Так что Кюстнер, что не удивительно, никаких вариаций скорости света не обнаружил и никак не смог объяснить полученные при измерениях вариации широты; дело кончилось тем, что он почти на два года отложил свою работу. Когда же, наконец, в 1888 г. дело у него дошло до публикации результатов, то подтолкнуло его к этому, вполне возможно, именно знакомство с работой Чандлера.

Чандлер, в свою очередь, увидел результаты Кюстнера и понял, что вариации широты, которые он получил при измерениях, представляют собой вполне реальный эффект. Он удвоил усилия в работе с альмукантаром и в 1891 г. опубликовал первые две статьи о чандлеровских колебаниях; в статьях он показал колебания положения точки Северного полюса примерно на 9 м с периодом 427 суток.

Похоже, Чандлер открыл эти колебания там, где другие потерпели неудачу, просто потому, что не знал, что именно ищет. До него астрономы, охотившиеся за свободной нутацией, сосредотачивались на Эйлеровой оценке периода в 306 суток и не обращали внимания на любые более долгопериодические изменения, считая их сезонными колебаниями в атмосфере, которые действительно способны в принципе менять видимое положение звезд. Но Чандлер, не знакомый с результатом Эйлера, просто измерял, не имея перед собой никакой заранее поставленной цели.

Результаты Чандлера были вполне убедительными. Он не только использовал большой массив собственноручно полученных измерительных данных, но и показал, что данные Кюстнера согласуются с его собственными; мало того, он показал также, что наблюдения из Пулково в России и Вашингтона в США показывают те же колебания.

Реакция на открытие Чандлера очень напоминала ситуацию, возникшую позже вокруг фотографий Марея с кошками: сначала недоверие и недоумение, а затем стремительный интерес и принятие. Отчет о 73-м ежегодном заседании Королевского астрономического общества в феврале 1893 г. наглядно иллюстрирует эту реакцию:

Прежде астрономы колебались, признавая 427-суточный период даже перед лицом очень сильных свидетельств в его пользу в наблюдениях 1860–1880 гг., по причине сложности теоретического его обоснования. Еще Эйлер в свое время указал, что если рассматривать Землю как твердое тело, то период вращения полюса должен составить 306 суток. Профессор Ньюком, однако, указал, к счастью, что получающийся более длинный период вполне объясним, ведь твердым телом Землю можно назвать лишь с оговоркой (из-за присутствия океанов можно говорить о ее реальной вязкости или композитном характере); после этого предположения 427-суточный период мистера Чандлера был принят с готовностью и даже теплотой.

Короче говоря, Эйлер считал Землю идеально твердым телом, но присутствие жидкостей на внешней части планеты — атмосферы и океанов — могло привести к существенным отступлениям от расчетов Эйлера.

Но одно дело — дать словесное объяснение новому физическому явлению, и совершенно другое — разработать количественную теорию для поддержки этого объяснения. Когда Пеано в 1894 г. познакомился с проблемой падающей кошки, он сразу же обратил внимание на ее схожесть с задачей о колебаниях Земли и начал работать над математическим аппаратом, который помог бы разрешить последнюю. В обеих задачах присутствует объект, изменяющий свою ориентацию в пространстве при отсутствии внешних сил, и обе они могут получить качественное объяснение с привлечением внутренних движений рассматриваемого объекта.

Можно усмотреть подлинную иронию в том, что Пеано на исследования вдохновила падающая кошка. Антуан Паран в 1700 г. при моделировании кошки взял в качестве основы модели сферу; в 1895 г. мы видим, что Пеано моделирует сферическую Землю как кошку. 5 мая 1895 г. в статье «Касательно сдвига полюса Земли» Пеано представил Академии наук в Турине собственную математическую теорию этого явления, не забыв при этом и кошку, которой выразил должную благодарность.

В конце прошлого года в Академии наук в Париже было доказано путем эксперимента, что некоторые животные, такие как кошки, могут при падении посредством внутренних действий изменять свою ориентацию. Возможность такого движения вполне объясняется механикой. В короткой статье, опубликованной в Rivista di Matematica (в начале января 1895 г.), я коротко рассматриваю этот вопрос. Я попытался описать циклические движения, посредством которых кошка реально выправляет свое положение в пространстве, и добавил другие примеры.

Это естественным образом ведет к вопросу: может ли шарообразное тело изменять свою ориентацию в пространстве при помощи только внутренних сил, как это делает каждое живое существо? Механически вопрос остается прежним. Но заслуга первого предположения по этому поводу по праву принадлежит профессору Вольтерре. Именно он сделал этот вопрос темой нескольких записок, представленных этой Академии; первая из них была опубликована 3 февраля.