Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

На этот раз решение пришло из внешнего источника. В конце 1888 г. во Францию поступили фотографические пленки на бумажной основе из США, изобретенные Джорджем Истманом в Рочестере, штат Нью-Йорк. Теперь Марей мог переделать свою камеру так, чтобы рулон пленки проматывался перед объективом, давая временну́ю последовательность изображений на полоске пленки. Его конструкция очень напоминала конструкцию кинокамеры. После такой доработки не осталось практически ничего, что невозможно было бы запечатлеть в движении. К 1892 г. Марей уже снимал действия любых животных, каких ему удавалось достать, от коз и собак до насекомых, уток и лошадей.

Идея снять падающую кошку, судя по всему, пришла ему в голову довольно поздно, после многих других исследований. Объект не имел ни военного значения, как изучение движения солдат, ни экономического, как изучение движения лошадей (благодаря тому что двигатель внутреннего сгорания Ньепса по-прежнему игнорировали, эпоха широкого использования автомобилей была еще впереди). И все же кошка садовника на Физиологической станции была мобилизована в интересах науки и сброшена перед объективом камеры в 1894 г. 22 октября 1894 г. Марей представил полученную последовательность снимков во Французской академии наук {8} .

Если сам Марей считал фотографии падающей кошки простой демонстрацией своих новых фотографических возможностей, то реакция на них оказалась совершенно неадекватной. Его фотографии опубликовал буквально весь мир, а физики Французской академии, которые тоже заседали во время пресловутой презентации, согласно последующим сообщениям, пришли в ярость:

Почему кошка всегда падает на лапы? Этот вопрос недавно привлек к себе серьезное внимание Французской академии наук. Проблема, очевидно, оказалась весьма сложной, ибо это ученое собрание гениев до сих пор не сумело дать для нее исчерпывающего решения.

…

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 {9} .

Где-то в промежутке между работой Парана в 1700 г. и фотографиями Марея в 1894 г. физика падающей кошки перешла из состояния решенной задачи, которую можно включать в учебники по элементарной физике, в состояние «научного парадокса». Но за эти две сотни лет сама физика тоже сильно изменилась и теперь определялась тем, что невозможно, в не меньшей степени, чем тем, что возможно .

Ключ к этим переменам — открытие и широкое признание законов сохранения , указывающих на то, что некоторые физические величины в изолированной системе изменяться не могут. Самый знаменитый из этих законов — закон сохранения энергии , который гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. К формам энергии относятся энергия движущихся объектов (кинетическая энергия), энергия, запасенная в гравитационном поле (гравитационная потенциальная энергия), тепловая энергия (энергия большого количества частиц, движущихся случайным образом, как в составе газа), химическая энергия (энергия, скрытая в химических связях в молекулах и атомах) и электромагнитная энергия (энергия, содержащаяся в свете, ультрафиолетовом и инфракрасном излучении, радио- и рентгеновских волнах). В специальной теории относительности Эйнштейна признается также, что масса сама по себе тоже является одной из форм энергии.

В качестве примера сохранения энергии можно назвать такой процесс, как работа автомобиля. Машина приводится в движение за счет превращения химической энергии (из бензина) в кинетическую, причем некоторая часть химической энергии неизбежно превращается в тепловую. Поднимаясь в гору, машина замедляется, по мере того как кинетическая энергия превращается в гравитационную потенциальную; при движении вниз с горы происходит обратный процесс. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, кинетическая энергия автомобиля превращается в тепло за счет трения колес и тормозных колодок.