Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

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