Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Из закона сохранения момента импульса следует несколько довольно странных вещей. Когда велосипедист нажимает на педали, момент импульса, передаваемый на колеса, уравновешивается равным противоположно направленным моментом импульса, который передается Земле: каждый велосипедист чуть-чуть раскручивает Землю! Земля так велика и массивна (она обладает таким высоким моментом инерции), что реальное вращение, передаваемое ей таким образом, пренебрежимо мало. Более того, по всей Земле в самых разных направлениях ездит столько велосипедов, что в среднем все эти крохотные вращения, по существу, компенсируют друг друга.

Намек на идею момента импульса можно найти уже в Ньютоновых «Началах», где он, по крайней мере, признает существование своеобразной «инерции вращения», аналогичной обычной инерции, которая описывается его Первым законом движения. Как утверждается во введении к Первому закону: «Волчок, части которого, связанные между собой, постоянно увлекает сила прочь с прямолинейного пути движения, не прекращает вращения, за исключением того что тормозится воздухом. Более крупные тела планет и комет, встречая меньше сопротивления в более свободных пространствах, сохраняют свое движение, как поступательное, так и вращательное, на протяжении гораздо более длительного времени» {3} .

Еще до Ньютона астроном Иоганн Кеплер продемонстрировал при помощи планетарных наблюдений так называемую теорему площадей , согласно которой любая планета движется с большей скоростью, если ее орбита проходит ближе к Солнцу, и с меньшей, если она располагается дальше. Вспомнив, что «момент импульса = (радиус) × (масса) × × (скорость)», мы можем заключить, что если момент импульса сохраняется, а радиус уменьшается, то скорость должна увеличиться. За полтора столетия после Ньютона физики постепенно поняли: из теоремы площадей прямо следует, что существует какой-то общий закон сохранения вращательного момента. К 1800 г. в ученой среде сложилось прочное ощущение, что «момент вращения» сохраняется; наконец, в 1858 г. Уильям Дж. М. Рэнкин в своем «Руководстве по прикладной механике» {4} ввел для этой величины термин «угловой момент» [1].

Одно простое — но, как мы увидим, обманчивое — следствие из предыдущего обсуждения состоит в том, что момент импульса и вращение непосредственно связаны друг с другом. Рассматривая в качестве примера такой объект, как велосипедное колесо, мы можем сказать, что у него есть момент импульса, когда оно вращается, и нет момента импульса, когда оно не вращается. 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. Хотя кошачьи энтузиасты, такие как Уильям Гордон Стейблс, продолжали использовать объяснение переворачивания кошки, данное Антуаном Параном в 1700 г., физики конца XIX в. признавали, что Паран ошибался: кошка не должна спонтанно переворачиваться. Они делали вывод, что кошке необходимо в момент начала падения оттолкнуться от любого неподвижного объекта, который подвернется под лапу, — подоконника, с которого она падает, или руки, которая ее роняет, — и таким образом набрать некоторый момент импульса, который позволит ей перевернуться.

Фотографии Марея ясно показали, что эта общепринятая гипотеза неверна. Описание жаркой дискуссии по этому поводу появилось во французском журнале «Домашняя радость» ( La Joie de la Maison ) под заголовком «Средоточие научной мысли!» {5} . Приведу здесь эту заметку целиком:

Академия наук посвятила одно из своих недавних заседаний забавному вопросу о том, почему кошка, подобно многим политикам, всегда приземляется на лапы.

Этот вопрос, принадлежащий к числу тех природных явлений, которые приводят в уныние уже тем, что остаются необъясненными, привел Академию в сильное волнение.

К другим примерам таких явлений можно причислить трудный вопрос о том, почему у цыплят нет зубов; или почему, когда два человека — один высокий, другой маленького роста — встречаются на дороге в дождливый день, то именно тот, что поменьше, всегда пытается поднять свой зонт выше зонта рослого человека.