Загадка падающей кошки и фундаментальная физика
Грегори Гбур
Как падающим кошкам всегда удается приземлиться на четыре лапы? Удивительно, сколько времени потребовалось ученым, чтобы ответить на этот вопрос! История изучения этой кошачьей способности почти ровесница самой физики – первая исследовательская работа на тему падающей кошки была опубликована в 1700 г. французом Антуаном Параном, но даже сегодня ученые продолжают находить в ней спорные моменты. В своей увлекательной и остроумной книге физик и заядлый кошатник Грегори Гбур показывает, как попытки понять механику падения кошек помогли разобраться в самых разных задачах в математике, физике, физиологии, неврологии и космической биологии, способствовали развитию фотографии и кинематографа и оказали влияние даже на робототехнику. Поиск ответа на загадку падающей кошки погружает читателей в увлекательный мир науки, из которого они узнают решение головоломки, но также обнаружат, что феномен кошачьего выверта по-прежнему вызывает горячие споры ученых. Автор убежден, что чем больше мы исследуем поведение этих животных, тем больше сюрпризов они нам преподносят.
Грегори Гбур
Загадка падающей кошки и фундаментальная физика
Переводчик Наталья Лисова
Научный редактор Максим Малышев, канд. физ.?мат. наук
Редактор Антон Никольский
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта И. Серёгина
Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина
Компьютерная верстка А. Фоминов
Дизайн обложки Ю. Буга
Фото на обложке Легион-медиа
© Gregory J. Gbur, 2019
Originally published by Yale University Press
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2021
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
?
Посвящается моему обширному кошачьему семейству: Саше, Зое, Софи, Куки, Раскалу, Мандарину, Долли, Митци, Дейзи, Хоббсу, а также покойным Саймону, Сабрине, Флафф, Голду и Мило
Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).
Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru (http://www.traektoriafdn.ru/)) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.
Предисловие: Кошки безумны
Можно с полным основанием утверждать, что кошки слегка безумны. В процессе эволюции они, как хищники-засадники, которые обычно охотятся в одиночку, выработали интеллект, позволяющий подкрадываться к добыче, выслеживать ее, даже если в этот момент она находится вне поля зрения, и заранее предугадывать ее действия. Такой интеллект вкупе с природной игривостью и любопытством регулярно доводят кошек до беды и создают им проблемы. Неудивительно, что фраза «Любопытство кошку сгубило» стала крылатой.
К счастью, в ходе бесчисленных лет эволюции кошки развили у себя, помимо всего прочего, несколько важных умений, которые позволяют им выходить из сложных ситуаций почти с такой же легкостью, как и попадать в них. Главное среди этих умений – способность, которую в разное время называли по-разному: кошачий переворот, умение всегда падать на лапы, рефлекс восстановления правильной ориентации, кошачий выверт. Все эти определения относятся к замечательной способности кошки при падении с высоты всегда приземляться на лапы, в каком бы положении она ни находилась в начале падения. Кошки способны перевернуться в нужное положение даже при падении с совсем небольшой высоты в полметра, метр, и такой переворот занимает у них долю секунды.
Это спасительный навык. У кошки, как часто говорят, девять жизней; если принять поговорку буквально, то я бы сказал, что по крайней мере четырьмя из этих девяти жизней кошка обязана рефлексу восстановления правильной ориентации. Мне приходилось работать с группами спасения кошек, так что я могу лично засвидетельствовать это кошачье умение. В одном случае, к примеру, я приехал, чтобы поучаствовать в спасении кошки, которая сбежала из недавно обретенного дома и забралась высоко на дерево. На место происшествия был вызван подъемник с люлькой, чтобы группа спасателей могла подобраться к испуганной кошке и попытаться выманить ее с ветки на высоте примерно 30 м, где она устроилась. Кошка, однако, предпочла прыгнуть и приземлилась на землю уже практически на бегу; когда ее показали ветеринару, оказалось, что единственным повреждением, полученным при падении, стала трещина в одной из костей, которая со временем зажила сама собой.
Кошки, кажется, и сами знают, что обладают необычными способностями, и любят при случае похвастать ими. К примеру, Софи – одна из членов моего обширного кошачьего семейства – имела привычку прогуливаться снаружи ограждения лестничной площадки третьего этажа и игнорировала все наши попытки ее от этого отучить. Однажды жена случайно увидела, как Софи поскользнулась – на самом краю мелькнула на мгновение пара кошачьих лап с вцепившимися в дерево когтями – и упала. Приземлилась она невредимой, но, к счастью, после этого случая отказалась от дальнейших экстремальных прогулок.
Похожих историй о невероятных падениях и приземлениях полно, а способность кошки исправлять положение тела в полете общеизвестна. Как правило, однако, мы не осознаем, что объяснить эту способность невозможно без привлечения значительного количества научных данных. Физика и физиология переворачивания кошки в воздухе не одно столетие привлекали ученых, завораживали и ставили в тупик. Хотя в настоящее время с этим вопросом в значительной степени разобрались, о конкретных деталях кошачьей способности исследователи продолжают спорить; кроме того, она продолжает служить источником вдохновения для создателей современных технологий.
Я впервые столкнулся с задачей о падающей кошке в 2013 г. при подготовке материалов для своего блога «Черепа среди звезд» (Sculls in the Stars), затрагивающего широкий спектр тем – от физики до истории науки и мистической литературы. Обычно я ищу интересный материал для своих статей в старых научных журналах, и однажды в одном из них мне попались канонические фотографии падающей кошки, которые сделал в 1894 г. французский физиолог Этьен-Жюль Марей. Заинтригованный, я написал для блога статью о Марее и других тогдашних исследователях падающей кошки под заголовком «Переворот кошки: повальное увлечение падением кошки среди ученых XIX в.!».
Однако я не был уверен в правильности своего первоначального объяснения этой кошачьей способности, поэтому продолжал поиск других опубликованных исследований на тему падения кошки. И находил все новые и новые публикации.
Падающие кошки завораживают ученых практически с тех самых пор, с каких существует сама наука, и этот интерес распространяется на множество дисциплин. Всякий раз, когда одна из научных дисциплин теряет интерес к кошачьей проблеме, на ее место тут же приходит другая – и открывает что-то новое.
Эта книга – рассказ о задаче про падающую кошку как с исторической, так и с научной точки зрения. Как мы увидим, падающие кошки играли долгую и замечательную, а иногда и нелепую роль в нескольких областях науки и техники. Чем пристальнее ученые вглядывались в эту задачу, тем больше скрытых сюрпризов обнаруживали они в поведении наших пушистых подруг. Эта задача непосредственно связана со многими важнейшими научными и техническими достижениями в современной истории – от фотографии до нейробиологии, от космических исследований до робототехники и других дисциплин; попутно физики пытались объяснить в точности, как кошки умудряются делать то, что они делают.
В этой книге вы найдете фотографии кошек. Много фотографий. Вообще фотография сыграла громадную роль в исследовании падающих кошек, поэтому мы посмотрим, как развивалась фотография до состояния, когда фотографирование падающей кошки стало не просто возможным, но простым делом. Со временем за дело взялась нейробиология, которая углубила связанную с этим процессом загадку. Нейробиологические исследования привели прямым ходом к планам полета человека в космос, в которых падающие кошки сыграли огромную роль. Комбинация нейробиологии и физики приведет нас непосредственно к робототехнике, где исследователи до сих пор пытаются воспроизвести эту кошачью способность в механическом устройстве. На этом пути кошки преподнесли новые сюрпризы и изрядно позабавились с научным сообществом.
Если говорить о науке, то мы многому научились у кошек, и эту историю пора рассказать всем, кому это интересно.
Предостережение
Роман Питера Бенчли «Челюсти» был опубликован в 1974 г., и история про большую белую акулу-убийцу сразу же стала настоящей мировой сенсацией; всего в разных странах было продано около 20 млн экземпляров книги. В следующем году вышла экранизация книги, снятая режиссером Стивеном Спилбергом. Фильм пользовался невероятной популярностью и принес рекордные сборы, превзойти которые удалось только «Звездным войнам» два года спустя.
Предвидел ли сам Бенчли или кто-то другой из участников проекта, насколько успешным станет этот сюжет, неясно. Однако совершенно точно можно сказать: никто не догадывался, что эта история вызовет взрывной рост добычи акул в следующее десятилетие. 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. В интервью, данном 23 февраля 2006 г. корреспонденту Los Angeles Times, он сказал: «Зная то, что я знаю сегодня, я никогда не написал бы такую книгу. Акулы не нападают специально на людей, и они уж точно не злопамятны».
Я не думаю, что эта книга об истории кошачьей физики сможет в будущем сравниться по популярности с «Челюстями», но неожиданные последствия, которые публикация «Челюстей» имела для акул, побудили меня тем не менее обратиться к читателям со следующим призывом:
Пожалуйста, не роняйте своих кошек!
Как мы увидим из содержания книги, кошки как вид одарены замечательным инстинктом, позволяющим им при падении рефлекторно восстанавливать правильную ориентацию тела в пространстве, но это не повод делать из каждой кошки наглядное пособие для демонстрации этого умения. Тому есть несколько серьезных причин:
1. Некоторые кошки, возможно, обладают этим умением в меньшей степени. Хотя инстинкт к перевороту в правильную позицию есть, очевидно, у всех кошек, это не означает, что все они делают это хорошо, и некоторые кошки могут пострадать при падении.
2. Кошкам, возможно, это не нравится. Я встречал множество кошек, которые радовались практически любому обращению, но не каждая кошка готова рассматривать падение и переворот как игру. Некоторые из них, возможно, будут возражать и могут даже затаить обиду против роняющего.
3. Кошки могут получить при падении психологическую травму. Для любого сухопутного млекопитающего падение само по себе пугающий опыт, а для средней домашней кошки оно может стать настоящим жутким испытанием.
История фотографирования падающей кошки уходит в прошлое больше чем на 100 лет. В сети можно найти множество видеороликов с демонстрацией того, как кошка делает то, что делает. Как правило, эти видеоролики обладают тем преимуществом, что позволяют в замедленном темпе разглядеть движения кошки в мельчайших подробностях, когда она переворачивается в воздухе и приземляется на лапы.
За последние 150 лет кошки как вид испытали множество падений во имя науки и давно заслужили отдых от активных исследований. Пора оставить их в покое.
1
Знаменитые физики и падающие кошки
В истории физики XIX в. нет, пожалуй, более уважаемого имени, чем Джеймс Клерк Максвелл. Этот физик, родившийся в Шотландии в 1831 г., к моменту своей довольно ранней смерти в 1879 г. успел внести заметный вклад во многие области науки и инженерного дела. Его величайшим достижением было теоретическое объединение электричества и магнетизма – двух типов взаимодействия, которые на протяжении тысяч лет считались независимыми силами природы, – в единое фундаментальное явление, получившее название электромагнетизм. В 1860-е гг. Максвелл собрал разнообразные наблюдения, сделанные другими физиками, вывел из них полную и непротиворечивую систему уравнений и показал, что, как следует из этих уравнений, электричество и магнетизм, объединившись, могут образовывать колеблющиеся электромагнитные волны, движущиеся в пространстве. Максвелл пошел еще дальше: он блестяще и очень убедительно доказал, что видимый свет, который долгое время считался отдельным явлением, никак не связанным с электричеством и магнетизмом, на самом деле представляет собой электромагнитную волну.
Считается, что открытие Максвелла знаменует собой начало современной эпохи в физике, когда все известные физические взаимодействия считаются проявлениями единого фундаментального взаимодействия; уравнения, составленные Максвеллом, в настоящее время называются уравнениями Максвелла в его честь.
А еще Максвелл был известен тем, что ронял кошек.
Такую необычную известность ему принесли ранние исследования, начатые в Университете Эдинбурга в 1847 г. в возрасте 16 лет. В 1850 г. Максвелл переехал в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и исследовал восприятие цвета человеком. Он отлично проявил себя и завершил обучение одним из лучших, а потом остался в университете еще на два года научным сотрудником. Именно во время работы в Тринити Максвелл посвятил некоторую часть своего свободного времени исследованию того, как именно падающая кошка умудряется всегда, кажется, приземляться на лапы.
В 1870 г. Максвелл вернулся в свою альма-матер – и обнаружил, что за время его отсутствия истории об экспериментах с кошками разрослись и умножились. 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[1 - Вероятно, Максвелл имел в виду футы, а не дюймы, поскольку, согласно исследованиям, два фута (61 см) – это именно та высота, которая позволяет кошке перевернуться; одно из таких исследований провела Фьорелла Гэмбейл, опубликовав результаты в полусатирическом журнале Annals of Improbable Research. Поскольку приведенное утверждение Максвелла взято из неформального рукописного письма к жене, автор, вероятно, либо не заметил описку, либо не счел нужным ее исправлять. Кстати говоря, жена его была квалифицированным ученым и помогала мужу в некоторых экспериментальных исследованиях.] и что даже в этих условиях кошка умудряется приземлиться на лапы». Письмо к Кэтрин написано, кажется, извиняющимся тоном; Максвелл спешит заверить жену, что ни одна кошка не пострадала. Какими бы эксцентричными ни были эксперименты Максвелла, поразительно все же, что всего за 20 лет они успели превратиться в легенду.
Максвелл не единственный из знаменитых физиков той эпохи испытывал интерес к падающим кошкам. Примерно в то же время собственное неформальное исследование на эту тему провел ирландский физик и математик Джордж Габриэль Стокс (1819–1903). Стокс, как и его друг Максвелл, заработал авторитет уже в раннем возрасте и в 1849 г. получил престижную должность – стал Лукасовским профессором математики; в этой должности он и оставался до самой смерти. Среди других ученых, занимавших этот пост, можно назвать исследователя черных дыр Стивена Хокинга, специалиста по квантовой физике Поля Дирака, пионера компьютерных исследований Чарльза Бэббиджа и самого «отца современной физики» Исаака Ньютона. Стокс, безусловно, заслужил место в такой избранной компании, поскольку за время своей долгой научной карьеры внес заметный вклад в математику, гидродинамику и оптику. Любой математик или физик наверняка знаком с теоремой Стокса, которая нашла применение практически во всех областях физики. Кроме того, имя Стокса носят уравнения Навье – Стокса – важные математические формулы, используемые для описания движения жидкости (свойства которого до сих пор до конца не поняты). Именно Стокс, кстати, открыл, что флуоресценция – свечение объектов под ультрафиолетовым светом – связана с преобразованием невидимого света в видимый.
В дополнение к этой солидной ученой биографии Стокс посвятил некоторое время неформальному исследованию того, как кошки приземляются на лапы. Очевидно, он не оставил записей о своих экспериментах, но его дочь упоминает о них в воспоминаниях, написанных через несколько лет после смерти отца:
Его очень интересовало, как и профессора Клерка Максвелла примерно в то же время, переворачивание кошки – термин, придуманный для обозначения способа, которым кошка умудряется упасть на лапы, если взять ее за четыре лапы и уронить спиной вниз над самым полом. Глаза кошек тоже пригодились для проверки офтальмоскопа, как и глаза моей собаки по кличке Перл: но Перл не мог сравниться с псом профессора Клерка Максвелла, который, кажется, положительно наслаждался, когда хозяин рассматривал его глаза[2 - Stokes, Memoir and Scientific Correspondence, p. 32.].
Поразительно, что два видных физика столь увлеченно исследовали такое обыденное, на первый взгляд, явление, как падающая кошка. Что могли блестящие умы увидеть в задаче о падающей кошке такого, чего множество других людей не замечали? Они видели в ней тайну.
Кошки издавна известны как волшебные хранительницы тайн; на примере задачи о падающей кошке мы увидим, насколько точна такая оценка:
Cфинкс моего тихого очага, удостоивший своим присутствием!
Товарищ моих трудов, спутник моего отдыха,
Хранитель традиции Ра и Рамзеса;
Ты хорошо помнишь то, что человек забывает,
Размышляешь, сидя недвижно и уставив в пространство
Непроницаемый взгляд цвета морской волны[3 - Tomson G. R., excerpt from “To My Cat”, in Tomson, Concerning Cats.].
2
(Разгаданная?) Загадка падающей кошки
Если Максвелл и Стокс видели в задаче о падающей кошке нечто интересное и необычное, то они при этом оказывались в очень и очень сильном меньшинстве. Как видно из литературы той эпохи, большинство людей находило эту задачу довольно тривиальной, причем считали, что она давно уже нашла себе адекватное объяснение. Традиционное объяснение, однако, было неверным, и эта ошибка, судя по всему, на протяжении почти 200 лет сдерживала всякое серьезное исследование способности кошки переворачиваться в правильное положение. Неверное объяснение, о котором идет речь, тесно связано с зарождением физики как строгой научной дисциплины.
