Грегори Гбур. Загадка падающей кошки и фундаментальная физика. М.: Альпина нон-фикшн, 2021. Перевод с английского Натальи Лисовой. Содержание
1. Популярность фильма «Челюсти» привела к массовому уничтожению акул
В 1974 году был опубликован знаменитый роман Питера Бенчли «Челюсти», а спустя год вышел еще более знаменитый одноименный фильм Стивена Спилберга. Роман разошелся тиражом в 20 миллионов экземпляров, а фильм и вовсе посмотрело бессчетное количество зрителей. Такая популярность сюжета про акулу-убийцу привела к ужасным последствиям: люди почувствовали за собой моральное право уничтожать хищников, которые в романе Бенчли предстали столь кровожадными.
«Популяции акулы-молота, тигровой акулы и большой белой акулы подверглись массовому уничтожению, а угроза выживанию этих видов, соответственно, резко увеличилась. Сам Питер Бенчли в конечном итоге пришел в ужас от такого несправедливого удара по акулам и остаток жизни посвятил их защите».
Тут читатель может с полным основанием спросить — а какое, собственно, отношение имеет вся эта история к книге о переворачивании кошек? Дело в том, что автор специально выносит рассказ о «Челюстях» во вступление, опасаясь, чтобы возможная популярность его книги случайно не привела к аналогичным драматическим последствиям. Гбур обращается к своей аудитории с пламенным воззванием: «Пожалуйста, не роняйте своих кошек». Ведь, даже несмотря на то, что большинство кошек отлично переворачиваются при падении, сам этот процесс вовсе не обязан им нравиться.
2. Знаменитый британский физик Джеймс Клерк Максвелл тоже ронял кошек
Огромное количество людей самых разных профессий и научных компетенций занимались подкдидыванием и швырянием кошек — во имя прогресса и просвещения, разумеется. Среди них были фотографы, биологи, военные инженеры, художники, антропологи и многие другие. Ну и, конечно же, физики. В том числе и физики с мировыми именами — например, Максвелл. Соответствующими экспериментами он занимался во время работы в кембриджском Тринити-колледже, а по возвращении в университет Эдинбурга обнаружил, что там его обсуждают именно в контексте подбрасывания кошек, причем слухи о его экспериментах разрослись до каких-то немыслимых масштабов.
«В письме к своей жене Кэтрин Мэри Клерк Максвелл так объяснил эту ситуацию: «В Тринити ходит байка о том, что я, когда работал здесь, открыл способ так бросить кошку, чтобы она приземлилась не на лапы, и что я имел обыкновение бросать кошек из окон. Пришлось объяснить, что подлинной целью исследования было выяснить, как быстро кошка перевернется, а подлинным методом — уронить кошку на стол или на кровать с высоты примерно двух дюймов и что даже в этих условиях кошка умудряется приземлиться на лапы»».
3. Распространение фотографии наконец научило художников рисовать животных
В дофотографическую эпоху стремительно движущиеся животные — в первую очередь, лошади — на полотнах художников часто принимали не совсем естественные позы, причем нередко несколько животных изображалось в совершенно идентичных позах. Причина довольно проста: лошадь, скачущая галопом, передвигает ногами настолько быстро, что человеческий глаз не в состоянии заметить естественное положение ее конечностей в каждый момент времени.
«Попав в мир бегов, Стэнфорд вступил в старый и горячий спор, бушевавший среди богатых коневладельцев: присутствует ли в беге рысака такой момент, когда все четыре его ноги одновременно оказываются в воздухе? Фотография тогда развивалась семимильными шагами, то и дело появлялись всевозможные новшества, и Стэнфорду, должно быть, показалось естественным проверить, не сможет ли фотография ответить на этот вопрос раз и навсегда. В 1872 г. он нанял Мейбриджа и поручил ему разрешить эту загадку; сам коневладелец обеспечил художнику финансирование, технические средства и лошадей для выполнения задания».
Речь здесь идет про Эдварда Мейбриджа — художника, который выполнил поставленное перед ним задание, благодаря чему мир узнал о том, как же все-таки передвигается быстро скачущая лошадь — и художники-анималисты сразу взяли на вооружение это открытие. А помогли Мейбриджу в этом разработки ученого Этьена-Жюля Марея — в нашем повествовании он возникает потому, что именно он первым в мире сфотографировал кошку в процессе падения.
Этьен-Жюль Маре, 1894
4. Первое в мире фото падающей кошки озадачило научное сообщество на десятилетия вперед
Именно упомянутому выше Марею, который сделал свой легендарный снимок 22 октября 1894 года, мы обязаны тем, что падающая кошка стала одной из главных научных загадок нового времени. Конечно, физики и раньше интересовались механикой ее падения, переворота и приземления на лапы, но до сих пор у них не было технической возможности зафиксировать этот процесс так, чтобы изучить его во всех деталях. Марей предоставил им эту возможность — и то, что увидели ученые, поразило их до глубины души. Кошка не просто переворачивалась на лапы — она делала это, казалось бы, совершенно необъяснимым образом, во многом противоречившим взглядам физиков на устройство мира. Ирония в том, что сам автор снимка считал его всего лишь демонстрацией своих фотографических возможностей. Но, когда физики всмотрелись в кошку, Марей и его фотоаппарат сразу перестали представлять для них интерес.
«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».
5. Физики прошлого заподозрили кошку в нарушении закона сохранения момента импульса
Собственно, почему невинный снимок падающей кошки произвел в научном сообществе такой фурор, а кошачье падение с переворотом из малозначительной научной загадки превратилась в одну из насущных проблем мирового научного сообщества? Грегори Гбур в своей книге исчерпывающе объясняет это:
«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».
Физики конца XIX века делали вывод, что кошке в самом начале падения нужно оттолкнуться от любого неподвижного объекта, который подвернется под лапу — так она наберет момент импульса, который позволит ей перевернуться. Вот чем заинтриговали физиков фотографии Марея: на них было отчетливо видно, что в начале падения кошка летит вниз самым обыкновенным образом, а переворачивается она только тогда, когда уже находится в свободном полете. При этом она ни от чего не отталкивается, а значит, с законом сохранения импульса возникают проблемы. И век с лишним назад эти проблемы казались принципиально неразрешимыми.
6. Куры и собаки в полете не переворачиваются — это доказано экспериментально
«Динамическое объяснение феномена падающей кошки», Т. Р. Кейн и М. П. Шер
Спустя некоторое время после опубликования фотографий падающей кошки была выдвинута и первая внятная гипотеза о механизме ее переворачивания, в определенной степени удовлетворившая научное сообщество. Ее автором стал французский математик Эмиль Гийю, который допустил, что при помощи лап кошка способна управлять моментом инерции передней и задней частей тела.
«В первоначальном падении, рассуждал Гийю, кошка должна была бы вытянуть задние лапы и подобрать под себя передние. Тогда она могла бы повернуть верхнюю часть тела так, чтобы правильно сориентировать ее относительно земли, не получив при этом существенного обратного поворота нижней части тела. Затем кошка подобрала бы под себя задние лапы, вытянула передние и провернула нижнюю часть тела до правильной ориентации, чтобы целиком принять правильное положение в пространстве, не получив при этом существенного обратного поворота верхней части тела».
Это объяснение не просто было поддержано учеными, но и получило некоторые теоретические подтверждения — в частности, Морис Леви доказал его жизнеспособность при помощи математического анализа. В итоге объяснение Гийю получило известность как модель переворачивания кошки типа «подожмись и поворачивайся». Ученые им до поры до времени удовлетворились и, поскольку задача с кошкой перешла в разряд решенных, переключились на опрокидывательные эксперименты с разными другими животными. В частности, было установлено, что цыплята, куры и собаки переворачиваться не умеют, а вот кроликам это вполне себе удается — не так хорошо, как кошкам, но тоже неплохо.
7. Рассуждения Эйнштейна придали новый импульс кошачьему вопросу
Конечно, книга Гбура посвящена не только и не столько переворачиванию кошки. Опираясь на эту феноменальную историю, он проводит обширный экскурс в историю науки и техники двадцатого века, показывая, как один научный эксперимент повлиял на те или иные научные дисциплины. А там, где исследования кошек не были задействованы непосредственно, Гбур обращается к ним как к удачной аналогии для объяснения тех или иных концепций. Так, например, в книге не обошлось без упоминания Альберта Эйнштейна, хотя, в отличие от многих своих коллег, Эйнштейн никогда не занимался подбрасыванием животных — во всяком случае, с научными целями. Автор книги вспоминает о кошках, рассказывая об эйнштейновском принципе эквивалентности: ускоренное движение физически неотличимо от нахождения в равномерном гравитационном поле.
«Это опять приводит нас в конечном итоге к вопросу о падающих кошках. Когда кошку роняют, она находится в состоянии свободного падения и рефлексивно переворачивается в правильное положение. Однако, согласно рассуждениям Эйнштейна, кошка в свободном падении будет совершенно невесома и не будет испытывать на себе действие какой-либо силы ни в одном из направлений — так откуда же она знает, в какую сторону и на сколько переворачиваться, чтобы приземлиться в правильном положении? Этот вопрос приобрел для физиологов важное значение в начале XX века».
8. Ради исследований невесомости кошек переворачивали в реактивных самолетах
Благодаря кошкам мы в свое время узнали многое о том, как человек будет чувствовать себя в невесомости — так что они очень помогли нам в деле освоения космоса. Эксперименты, которые потребовалось для этого проводить, часто принимали совершенно фантасмагорические формы. В частности, кошек сажали в реактивные самолеты, поднимались вместе с ними в воздух, переворачивали и смотрели, что получится. Получалось следующее:
«В ходе экспериментов кошек переворачивали и удерживали, а затем отпускали после периодов невесомости различной длительности: через 1, 5, 10, 15, 20 и 25 с. При этом кинокамеры фиксировали реакцию животных на нулевую силу тяжести. Для экспериментов у исследователей имелись учебные реактивные самолеты T-33 и F-94, в результате чего на свет появились сюрреалистические снимки, на которых кошки плавали в воздухе перед лицом пилота, облаченного в кислородную маску, и добавляли новый элемент опасности к профессии летчика-истребителя».
Эти эксперименты убедительно продемонстрировали, что кошки сохраняют свой навык переворачивания, если проводят в невесомости не дольше пяти секунд. Если они остаются в таком состоянии дольше, то доля успешных переворачиваний значительно снижается. И совсем уж незначительной она становится, когда у находящейся в невесомости кошки завязаны глаза.
Фелисетта
9. Как минимум одна кошка успешно слетала в космос
Участие кошек в космических исследованиях завершилось в 1969 году — люди узнали у них все, что хотели. В процессе одной кошке даже удалось слетать в космос и вернуться оттуда живой. Эту кошку звали Фелисетта — она была бродячей, и французское правительство выкупило ее у торговца для экспериментов. Ее запустили в космос 18 октября 1963 года — Фелисетта поднялась на высоту 156 километров, провела в невесомости пять минут и вернулась на Землю в капсуле на парашюте. К сожалению, через три месяца после этого ученые приняли решение усыпить ее, чтобы исследовать организм кошки на предмет физиологических изменений. После этого она оказалась незаслуженно забыта на многие десятилетия, и только в 2017 году активисты решили увековечить память о ней:
«Мэтью Сарж Гай запустил краудфандинговый проект по сооружению статуи Фелисетты в ее родном городе Париже в память о полете. Деньги были собраны, и на момент написания этой книги организаторы занимаются поиском подходящей площадки для мемориала — памятника и напоминания о жертвах, принесенных животными ради нас».
10. Лакание — не менее удивительный процесс, чем переворачивание
Грегори Гбур уделяет основное внимание переворачиванию кошек, но не забывает и о других их чудесных навыках, имеющих нетривиальные физическое объяснения.
«Изучение процессов лакания и умывания кошки может показаться легкомысленным и бестолковым занятием, но в обоих случаях исследователи предполагают, что их работы помогают понять, как можно создать совершенно новые типы гибких роботов. Мало того, кошачий рефлекс переворачивания в воздухе вызвал серьезный интерес специалистов-робототехников; подвижность животного стала своего рода идеалом и конечной целью в плане маневренности роботов».
Что касается лакания, то его механика гораздо сложнее, чем мы привыкли думать. В обывательском представлении, кошка просто зачерпывает языком, как ложечкой, некоторое количество воды. Но делает она это так быстро, что если вы решите за ней пронаблюдать, то не поймете, что, собственно, происходит. А происходит вот что: кошка едва касается языком поверхности воды, а затем стремительно отдергивает его. При этом часть жидкости увлекается вслед за языком, и на мгновение образуется тонкий столбик воды — кошка успевает схватить его, пока он не упал обратно. Так что кошка пьет, используя молекулярные силы жидкости.